És situat a la banda sud-occidental de la comarca, a la vall del barranc de Vallclara, o riu de Milans, capçalera del Francolí. Confronta amb els termes de Vimbodí (NE, E i SE), Prades, al Baix Camp (S), Vilanova de Prades (SW), el Vilosell (W) i amb un petit sector de Vinaixa (N), els dos últims municipis de les Garrigues. El municipi és accidentat, d’una banda, pels vessants orientals de la serra de la Llena, on els cims (entre 650 i 900 m) fan de partió amb els termes de Vilanova de Prades al S i el Vilosell a l’W; d’altra banda, és accidentat pels vessants septentrionals de les Muntanyes de Prades, amb pics que oscil·len entre els 850 i els 1 100 m d’altitud, com la punta de les Tres Alzinetes, o puig de Sales (1 046 m), i el Tossal Gros (1 106 m), que fa partió amb el terme de Prades i amb el de Vimbodí.

El terme és drenat pel riu de Milans, que neix a la font de Coma de Nalda, al vessant de la serra de la Llena que mira a la Conca, passa per la banda meridional de la població i desguassa, a la banda central del terme, a la capçalera del Francolí. El terme és abundant en aigua i hi brollen una quinzena de fonts: la Font Vella, actualment de Sant Antoni, al costat mateix de la població, la del Xafarot i la del Rector, entre d’altres.

El municipi és travessat en direcció NE-SW per la carretera local que va de Vimbodí fins a enllaçar, prop d’Ulldemolins, amb la comarcal C-45 de les Borges del Camp a Fraga. Una via menor surt de l’esmentada carretera local i porta al Vilosell seguint un antic camí.

Situació de Vallclara