Fossa è situata a 644 metri s.l.m. sui margini occidentali della Valle dell'Aterno, a 12 km dall'Aquila. Il territorio presenta caratteristiche tipiche dell'Appennino centrale, con morfologia carsica sviluppatasi su substrati calcarei mesozoici, inserito nel contesto geografico della Conca Aquilana e dominato dal massiccio del Monte Ocre.

Il comune di Fossa si colloca strategicamente nel cuore dell'Abruzzo interno, precisamente a 644 metri sul livello del mare, sui margini occidentali della Valle dell'Aterno. La sua posizione geografica lo rende un punto di osservazione privilegiato della Conca Aquilana, vasto anfiteatro naturale che si estende ad un'altitudine media di circa 700 metri dal mare.

Il territorio è inserito in un complesso sistema montuoso che caratterizza questa porzione di Appennino centrale. La Valle dell'Aterno risulta incastonata tra importanti massicci montuosi: i Monti dell'Alto Aterno a nord, il Gran Sasso a est, il gruppo montuoso Monte Ocre-Monte Cagno e il Monte Sirente a ovest. Questa configurazione geografica fa sì che la vallata rappresenti il principale collegamento tra la Conca Aquilana e la Conca Peligna.

La morfologia del territorio di Fossa è profondamente influenzata dai processi carsici che hanno modellato il paesaggio nel corso dei millenni. Il comune stesso deve il proprio nome alla dolina carsica alle pendici orientali del Monte Circolo, depressione naturale nella quale si è sviluppato l'abitato. Questi fenomeni sono tipici delle aree calcaree appenniniche e testimoniano la complessa evoluzione geologica della regione.

Dal punto di vista geologico, l'area è caratterizzata dalla presenza di calcari organogeni del Mesozoico, in particolare del Cretaceo. Si tratta di calcari spesso compatti e ricchi di fossili (molluschi, coralli, alghe), originari di un mare basso a clima tropicale, simile alle attuali Bahamas. Questa natura geologica è condivisa con il massiccio del Velino e costituisce la base per lo sviluppo dei fenomeni carsici che caratterizzano il paesaggio.

Il territorio di Fossa confina ad ovest con Ocre, a nord con L'Aquila, a nord-est con Poggio Picenze, ad est con Barisciano e a sud-est con Sant'Eusanio Forconese. Questa posizione centrale lo rende un importante nodo di collegamento tra diverse aree geografiche dell'Abruzzo interno, beneficiando di collegamenti naturali verso il reatino a ovest, la Valle del Vomano a est e la Valle Subequana verso sud.

L'area si inserisce nel più ampio contesto del Parco Naturale Regionale Sirente-Velino, che garantisce la protezione di un territorio caratterizzato da notevole diversità ambientale. L'ampio intervallo altitudinale, le differenze tra versanti a diversa esposizione e la morfologia segnata da canyon, altopiani, valloni, rupi e ghiaioni determinano una straordinaria varietà di ambienti naturali, dai boschi ripariali del fondovalle alle praterie sommitali del Monte Ocre.