Der Ort erstreckt sich im Jura, im Talbecken von Moutier, das auch den Namen Grand Val trägt, beidseits der Birs oberhalb der Mündung des Baches Raus und auf den angrenzenden Hängen. Die Birs durchquert das Grand Val von Süden nach Norden quer zur Kettenstruktur des Juras und bildet sowohl oberhalb als auch unterhalb von Moutier bedeutende Schluchten.

Die Fläche des 19.5 km² grossen Gemeindegebiets umfasst den westlichen Teil des Talbeckens von Moutier. Im Süden reicht das Gebiet auf den Kamm der Graitery-Kette, die mit 1'270 m ü. M. den höchsten Punkt von Moutier bildet. Der dicht bewaldete Nordhang des Graitery ist sehr steil und weist Felsbänder aus Kalkstein auf. Westlich an den Graitery schliessen die Gorges de Court (Schluchten von Court) an, welche die Graitery-Antiklinale durchbrechen und dabei die Faltenstruktur dieser Kette hervorragend aufschliessen. Im äussersten Südwesten reicht Moutier auf die Höhe des Mont Girod (1'037 m ü. M.).

Nördlich von Moutier befinden sich die Gorges de Moutier, eine weitere typische Klus mit imposanten Kalkfelsen; die Birs durchbricht hier die Antiklinale des Mont Raimeux. Die Nordgrenze von Moutier verläuft am Nordrand dieser Klus auf dem Felsgrat Arête du Raimeux, der am Westhang des Mont Raimeux 1'000 m ü. M. erreicht. Nach Nordwesten erstreckt sich das Gemeindegebiet auf die weite Höhe der Montagne de Moutier (bis 1'158 m ü. M.), die mit einigen Dolinen durchsetzt ist. Hier befinden sich ausgedehnte Jurahochweiden mit den typischen mächtigen Fichten, die entweder einzeln oder in Gruppen stehen. Ganz im Nordwesten reicht das Gebiet mit einem schmalen Zipfel in das Einzugsgebiet des Baches Soulce und auf die Antiklinale des Le Mont, der die südliche Begrenzung des Delsberger Beckens bildet. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 12 % auf Siedlungen, 56 % auf Wald und Gehölze, 31 % auf Landwirtschaft und etwas mehr als 1 % war unproduktives Land.

Zu Moutier gehören der Weiler Les Clos (1'105 m ü. M.) auf der Höhe der Montagne de Moutier sowie zahlreiche Einzelhöfe. Nachbargemeinden von Moutier sind Perrefitte, Champoz, Court, Eschert, Belprahon und Roches im Kanton Bern sowie Châtillon und Soulce im Kanton Jura.