Il territorio di Sant'Agata Feltria è piuttosto vasto (79,30 km²); include diverse frazioni come Caioletto, Casalecchio, Maiano, Palazzo, Pereto, Petrella Guidi, Rocca Pratiffi, Sapigno, San Donato, Ugrigno e altre. Per estensione è il secondo comune della provincia di Rimini (dopo il capoluogo) e il primo della Comunità montana Alta Valmarecchia.

Il capoluogo si trova a 606 metri di altitudine ed è ricompreso nel bacino idrografico del fiume Savio, appena a nord-ovest del crinale.