Tepi utaranya adalah Selat Wetar, berseberangan dengan pulau Wetar; juga berbatasan dengan kotamadya Lautém di sebelah timur, Viqueque di sebelah selatan, dan Manatuto di sebelah barat.
Kotamadya ini memiliki luas wilayah 1.507,95 km2 (582,22 sq mi). Bagian terbesar dari kotamadya ini berada pada ketinggian antara 100 dan 500 m (330 dan 1.640 kaki). Tepat di pesisir pantai, negara ini turun dengan cepat di permukaan laut.
Gunung tertinggi di Baucau, dan tertinggi ketiga di Timor Leste, adalah Matebian, dengan tinggi 2.316 m (7.598 kaki); gunung ini berada di subdistrik Quelicai.
Sungai Laleia dan Manuleiden, di sebelah barat distrik, mengalir ke utara menuju Selat Wetar. Sungai Seiçal, Borauai, Lequinamo, Binagua dan sungai-sungai kecil lainnya berada di sebelah timur kota Baucau; hanya Seiçal yang memiliki air sepanjang tahun.
Baucau juga memiliki garis pantai yang luas dengan pantai berpasir yang ideal untuk berenang dan olahraga air lainnya.