La ville de Vatra Dornei est situé au coté du sud-ouest du département Suceava, dans le bassin Dornelor, ayant comme coordonnées géographiques : 47° 21′ latitude Nord et 25° 22′ longitude Ouest. Autour de la ville on trouve les communes comme suit : Pojorâta (au Nord), Iacobeni (au Nord-Ouest), Dorna Candrenilor (à l’Ouest), Șaru Dornei (au Sud) et Dorna-Arini (à l’Est).
La ville de Vatra Dornei est traversée par E58 (DN 17), route importante reliant la Bucovine et la Transylvanie. Les distances depuis Vatra Dornei vers les villes les plus proches sur cette route sont : 110 km jusqu’à la ville Suceava (le siège du département du même nom), 43 km jusqu’à la ville Câmpulung Moldovenesc, 84 km jusqu’à la ville Bistrita, 74 km jusqu’à la ville Gura Humorului et 66 km jusqu’à la ville Frasin.
Une autre route importante qui traverse la ville de Vatra Dornei est la route nationale DN 17B, qui assure la liaison avec le département Neamţ. Sur cette route, Vatra Dornei est située à 156 km de la ville Piatra Neamt, à 52 km de la ville Broşteni et à 130 km de la ville Bicaz.
La ville Vatra Dornei est reliée aux chemins de fer roumains par la voie ferroviaire Suceava – Vama – Floreni – Ilva Mica, traversant le centre-ville, où il y a deux stations de chemin de fer, à la distance de marche un de l’autre : la Gare Vatra Dornei (construite en 1902) et la Gare Vatra Dornei Băi (construite en 1910). L’aéroport le plus proche est celui de Suceava, situé à environ 120 km.

La ville Vatra Dornei a en administration trois localités, qui la composent : Argestru, Roșu et Todireni.

La ville Vatra Dornei est localisée dans une dépression typique de montagne, située au Nord des Carpates orientales, à une hauteur moyenne d’environ 800 mètres. La ville est située dans Depresiunea Dornelor, qui a les limites suivantes : les montagnes Rarău et Giumalău au nord-est (avec le pic Bârnărel – 1.321 mètres) ; les montagnes Călimani au Sud (avec le pic Dealu Negru -1.302 mètres) et les montagnes Suhard au Nord (avec le pic Runc -1,149 mètres). La géologie du territoire est constitué des schistes cristallins (les montagnes Suhard, au Nord) et de roches de nature volcanique (montagnes de Călimăni, sur la côté Sud).

La ville est située au confluent des rivières Bistrita Aurie et Dorna. En dehors de ces deux cours d’eau majeurs, qui ont formé au confluent la Dépression Dornelor, la ville est traversée par plusieurs petites rivières, comme : Argestru, Chilia, Colăcelul, Roşu, Negreşti

Le climat est continental tempéré avec une température annuelle moyenne de 5,2 ° C. En Juillet, la température moyenne est de 15 ° C, et en Janvier de -6 ° C. Les températures extrêmes enregistrées au Vatra Dornei sont : 36,4 ° C (le 18 Juillet, 1904) et de -36,5 ° C (le 13 Janvier 1950).

Les précipitations atmosphériques sont abondantes et atteint environ 800 mm. Le nombre de jours où il neige revient à environ 120 par an. La plus longue durée de la pluie à Vatra Dornei a été enregistrée en Août 1908 (14 jours). La pression atmosphérique moyenne est de 690 mm au mois de Janvier, respectivement de 694 mm en Septembre.