Der Landkreis Gotha liegt im westlichen Mittelthüringen. Nachbarkreise sind der Unstrut-Hainich-Kreis im Norden, im Nordosten der Landkreis Sömmerda, im Osten die kreisfreie Stadt Erfurt, im Südosten der Ilm-Kreis, im Südwesten der Landkreis Schmalkalden-Meiningen und im Westen der Wartburgkreis.

Das Geländeprofil variiert vom rund 200 Meter über Normalnull gelegenen Tiefland im nördlichen Teil des Landkreises bis hin zur mit 916 Metern höchsten Erhebung, dem Großen Inselsberg, im Süden.

Der Landkreis ist verkehrstechnisch sehr gut erschlossen, wovon allein die Niederlassungen großer Logistikkonzerne entlang der Autobahn 4 zeugen. 

Über die Kreisstadt Gotha ist die Region an den Bahnfernverkehr (Intercity) angeschlossen; weitere regionale Bahnstrecken (Gotha-Leinefelde, Fröttstädt-Friedrichroda) sichern die Anbindung aus dem ländlichen Raum. In der Kreisstadt selbst verkehrt seit 1894 eine Straßenbahn, die seit 1929 weiter als Thüringerwaldbahn über Waltershausen (Gleisdreieck, Verbindung zum Bahnhof Waltershausen) und Friedrichroda (Reinhardsbrunn) nach Tabarz führt. Der Landkreis Gotha ist zudem seit 2010 Mitglied im Verkehrsverbund Mittelthüringen (VMT). 

Neben mehreren Fernstraßen (B 247, B 88) führt von Ost nach West die Bundesautobahn 4 mit fünf Anschlussstellen. Sechs Straßen führen hinauf in den Thüringer Wald über die südliche Kreisgrenze. 

Unmittelbar östlich des Kreisgebietes befindet sich der internationale Flughafen Erfurt-Weimar.