La valle, naturale proseguimento della Val di Fiemme, inizia a Moena, dove il Passo San Pellegrino la collega con Falcade e con l’Agordino. Sale poi verso nord spalleggiata a ovest dal Catinaccio. Il Passo Costalunga porta da Vigo di Fassa verso Bolzano. Superati i caratteristici paesi di Mazzin e Campitello, la Val di Fassa si apre nella conca di Canazei dominata dal Gruppo del Sella, dal massiccio della Marmolada con la vertiginosa piramide del Gran Vernel. Canazei è un crocevia di strade che collegano, attraverso i passi Sella, Pordoi e Fedaia, la Val di Fassa alle altre valli ladine.
L’intera vallata è percorsa dal torrente Avisio che, solcate le valli di Fiemme e Cembra, sfocia nell’Adige, nei pressi di Lavìs, poco a nord di Trento.