Tilcara es esencialmente montañoso. Está cruzado por la pintoresca Quebrada de Humahuaca, por donde corre el río Grande de Jujuy. De este a oeste está recorrida por el Trópico de Capricornio, que pasa por la localidad de Huacalera.
En este departamento prácticamente no hay llanuras, de manera que su aspecto orográfico es sumamente montañoso.