Der Markt Thalmässing liegt im Herzen von Bayern, idyllisch am Albrandbereich des fränkischen Jura, im Naturpark Altmühltal und an der Grenze des Fränkischen Seenlands.
Neben dem Jura zieht sich als zweite Anhöhe die Europäische Wasserscheide durch das Gemeindegebiet, welche die Flüsse entweder über die Donau ins Schwarze Meer oder über Main/Rhein in die Nordsee leitet.
Nachbargemeinden im Landkreis Roth sind die Stadt Greding, die Stadt Heideck und die Stadt Hilpoltstein, im Landkreis Weißenburg-Gunzenhausen der Markt Nennslingen.
Thalmässing liegt jeweils ca. 12 Kilometer von der Autobahn A 9 Anschlussstelle 56 – Hilpoltstein-Süd sowie Anschlussstelle 57 Greding entfernt.
Neben der BAB 9 wurde die neue ICE-Strecke von Nürnberg nach München gebaut. Über die Regionalbahnhöfe Kinding und Allersberg gelangt man zu den ICE-Bahnhöfen Ingolstadt oder Nürnberg. Eine regelmäßige Busverbindung zu den Regionalbahnhöfen sichert ein Reisen ohne KFZ.
Die ehemalige Bahnstrecke Greding–Thalmässing–Roth („Gredl“) wurde 1974 im Bereich von Thalmässing stillgelegt und durch eine Buslinie ersetzt. Das ehemalige Gleisbett wurde zu einem Radweg umgebaut.
Nahe dem Ortsteil Waizenhofen befindet sich der Flugplatz Thalmässing-Waizenhofen, ein privater Flugplatz für Ultra-Leichtflugzeuge.