Walchsee liegt in der österreichischen Region Kaiserwinkl nordöstlich von Kufstein zwischen dem gleichnamigen See, dessen Fläche vollständig zum Gemeindegebiet gehört, und den Abhängen des Zahmen Kaisers. In Walchsees Ortsteil Schwaigs befindet sich mit der Schwemm Nordtirols größte erhaltene Hochmoorlandschaft.
Die niedrigste Stelle im Gemeindegebiet befindet sich in Durchholzen (Schmiedtal 650 m), die höchste Stelle ist die Vordere Kesselschneid mit 2002 m - meistens wird die Pyramidenspitze mit 1999 m als höchste Stelle genannt.