Seu limite norte fica no Estreito de Wetar, em frente à ilha de Wetar; também faz fronteira com os municípios de Lautém ao leste, Viqueque ao sul, e Manatuto ao oeste.
O município tem uma área de 1.507,95 km2 (582,22 sq mi). A maior parte do município está a uma altitude entre 100 e 500 m (330 e 1.640 pés). Bem na costa, o país está caindo rapidamente ao nível do mar.
A montanha mais alta de Baucau, e a terceira mais alta do Timor Leste, é Matebian, com 2.316 m de altura; está no subdistrito de Quelicai.
Os rios Laleia e Manuleiden, no oeste do distrito, correm para o norte no Estreito de Wetar. Os rios Seiçal, Borauai, Lequinamo, Binagua e outros pequenos rios estão ao leste da cidade de Baucau; somente o Seiçal tem água durante todo o ano.
Baucau também tem uma ampla linha costeira com praias de areia que são ideais para nadar e outros esportes aquáticos.