Град Панагюрище се намира в планински район.
Той лежи в Същинска Средна гора. На север от него - близо до курорта Панагюрски колонии - се намира връх Братия (1519 м надм. вис.). През града тече река Панагюрска Луда Яна, която след село Попинци се съединява с река Стрелчанска Луда Яна и така се образува река Луда Яна.

Гара Панагюрище е последната гара по жп-линията Пловдив-Панагюрище. През града минава шосе 37 от републиканската пътна мрежа, което свързва Доспат (Родопите) през Златишки проход (Стара Планина) с А2 (при село Джурово).

Панагюрище е административен център на община Панагюрище, в състава на която влизат още 9 села.

Съседни населени места са: село Панагюрски колонии (15 км на север), село Оборище (10 км на запад), село Баня (11 км първо на юг и след това на запад), село Бъта (8 км на юг) и град Стрелча (13 км на изток).