Comuna Vatra Moldoviței, în forma ei administrativă actuală, care datează din 1968, este situată în partea central-vestică a județului Suceava, în centrul Obcinelor Bucovinei, în bazinul hidrografic al Moldoviței, afluent al Moldovei. Teritoriul comunei se desfășoară pe un ecart altitudinal cuprins între 600-1380 m și are orientarea generală nord-nord-est-sud-sud-est, fiind traversat în partea centrală de valea Moldoviței, pe direcția vest-nord-vest-est-sud-est.
Cea mai mare parte a teritoriului este drenat de afluenții Moldoviței, bazinele hidrografice ale pâraielor Ciumârna și Boul Mare, care confluează în satul Vatra Moldoviței. Teritoriul comunei se extinde latitudinal pe 12 km iar longitudinal, comuna Vatra Moldoviței se desfășoară pe 7,1 km. Centrul reședinței comunei este situat la 25 km de municipiul Câmpulung Moldovenesc și 30 km de orașul Gura Humorului, pe sosea. Comuna Vatra Moldoviței se învecinează cu localitățile Moldovița și Sucevița la nord și respectiv la nord-est, cu localitatea Frumosu la est-sud-est, cu localitatea Sadova la sud-est și municipiul Câmpulung Moldovenesc la sud. Limitele comunei Vatra Moldoviței urmăresc de regulă cumpenele de apă ale bazinelor hidrografice ale afluenților Moldoviței. Accesul rutier în comuna Vatra Moldoviței dinspre localitatea Vama, se face în lungul văii Moldoviței pe DJ176, iar dinspre localitățile Sucevița și Rădăuți, respectiv spre Sadova și Câmpulung Moldovenesc pe DN17A.