Son bord nord se trouve dans le détroit de Wetar, en face de l'île de Wetar ; il est également bordé par les municipalités de Lautém à l'est, de Viqueque au sud et de Manatuto à l'ouest.
La municipalité a une superficie de 1 507,95 km2 (582,22 mi²). La plus grande partie de la municipalité se trouve à une altitude comprise entre 100 et 500 m. Juste sur la côte, le pays est en chute libre au niveau de la mer.
La plus haute montagne de Baucau, et la troisième plus haute du Timor oriental, est le Matebian, avec 2 316 m de haut ; elle se trouve dans le sous-district de Quelicai.
Les rivières Laleia et Manuleiden, à l'ouest du district, se jettent au nord dans le détroit de Wetar. Les rivières Seiçal, Borauai, Lequinamo, Binagua et d'autres petites rivières se trouvent à l'est de la ville de Baucau ; seule la Seiçal a de l'eau toute l'année.
Baucau possède également un large littoral avec des plages de sable qui sont idéales pour la baignade et d'autres sports nautiques.