Батак се намира в планински район, на 1036 м надморска височина в долината на Стара река по двата ѝ бряга. Заобиколен е от всички страни с хълмове (100-200 м над равнището му), а над тях се издигат върховете на Баташката планина, която на запад граничи с Чепинска река, на юг — с Доспатска река и яз. Доспат, на изток — с река Въча, на север — с Тракийската низина. Тук се намират защитената местност "Баташки снежник — Карлъка". Недалеч от града са и едни от най-високите върхове в Родопите — вр. Баташки снежник (2082 м), вр. Голяма Сюткя (2185 м).

Батак се намира на 15 км по асфалтиран път от гр. Пещера, на 35 км от областния център Пазарджик и на около 55 км от Пловдив.

Климатът на Батак е преходно-континентален, повлиян забележимо и от надморската височина. Поради разположението си градът е запазен от силни ветрове. Средната годишна температура е около 10°С. Зимата е сравнително топла. През есенно-зимния сезон преобладават слънчевите дни. Характерно явление в този район е южният вятър, наричан от местното население „бял вятър". Зимата е с обилни снеговалежи до 63 см в града и до 150 см по околните възвишения. Лятото е прохладно и приятно, благодарение на което Батак и районът му се утвърждават като привлекателен планински курорт.