Installée dans une boucle encaissée de la Mtkvari, Tbilissi rassemble l'essentiel de ses monuments dans un périmètre restreint, entre la crête de Sololaki et les deux rives du fleuve.
La forteresse de Narikala occupe l'éperon rocheux qui ferme la vieille ville au sud. Ses premières fortifications remontent au IVe siècle, héritées de la citadelle perse, et l'enceinte visible résulte de reconstructions arabes puis géorgiennes. Une explosion de poudrière en 1827 a ruiné la partie haute, et l'église Saint-Nicolas, relevée à la fin des années 1990, reprend le plan d'un édifice du XIIe siècle. Sur la même crête se dresse Kartlis Deda, la Mère de la Géorgie, statue d'aluminium de vingt mètres érigée en 1958 pour le quinze centième anniversaire de la ville. Un téléphérique relie le parc de Rike au plateau de la forteresse.
Le quartier d'Abanotubani aligne au fond de la vieille ville ses coupoles de brique affleurant au ras du sol, couvertures semi-enterrées des salles alimentées par les sources sulfureuses. À quelques rues de là, la cathédrale Sioni servit de siège patriarcal jusqu'à l'achèvement de Sameba. La basilique d'Anchiskhati, élevée au VIe siècle sous le roi Dachi, conserve son clocher de brique de 1675. Sur la rive gauche, l'église Metekhi domine un à-pic au-dessus du fleuve. Construite entre 1278 et 1289 sous Dimitri II, elle a servi de prison puis de théâtre à l'époque soviétique, et la statue équestre de Vakhtang Gorgassali lui fait face. Sur la colline d'Élia, la cathédrale Sameba développe près de 5 000 mètres carrés et neuf chapelles, dont cinq en sous-sol.
L'avenue Roustavéli court sur 1 500 mètres depuis la place de la Liberté. Ouverte sous le nom d'avenue Golovine, élargie après 1848 et plantée de platanes, elle concentre le Parlement, le Musée national, l'Opéra, le théâtre Roustavéli et l'ancien palais du gouverneur devenu palais de la Jeunesse. La place de la Liberté ferme cet axe, avec en son centre une colonne surmontée d'un saint Georges doré installée en 2006.
Le pont de la Paix, passerelle d'acier et de verre dessinée par Michele De Lucchi et ouverte en 2010, relie la vieille ville au parc de Rike, qui réunit jeux d'eau, pelouses et station basse du téléphérique. Le funiculaire du Mtatsminda part d'une station de brique de 1905 due à un ingénieur belge. Le panthéon du Mtatsminda, aménagé en 1929 autour de la tombe d'Alexandre Griboïedov, réunit écrivains, peintres et savants sur une terrasse en flanc de montagne.
La rue Chardin et la rue Erekle II, deux venelles pavées du vieux Tbilissi, alignent terrasses, bars et galeries. Le marché aux puces du pont Sec, né dans les années 1990 quand les habitants vendaient leurs biens pour subsister, occupe le tablier du pont et le parc voisin, entre décorations soviétiques, vaisselle et livres d'occasion. Le quartier de Sololaki, bâti par les marchands enrichis au tournant du XXe siècle, conserve derrière ses portes cochères des cages d'escalier peintes, des vitraux et des sols de mosaïque. À Tchougoureti, Fabrika occupe depuis 2016 une ancienne usine de couture soviétique transformée en auberge, ateliers et cour de bars. Le jardin botanique national, fondé en 1845 et étendu sur 128 hectares, occupe le vallon situé derrière Narikala.
Le parc du Mtatsminda, ouvert en 2007 au sommet de la montagne, associe une grande roue de 80 mètres, des manèges et un panorama sur toute la cuvette urbaine. Le théâtre de marionnettes de Rezo Gabriadze retient aussi les adultes, et sa tour de l'horloge s'anime chaque heure. Le musée ethnographique de plein air, sur les hauteurs de Vaké, présente des maisons traditionnelles remontées région par région. Le lac des Tortues, desservi par une télécabine depuis le parc de Vaké, propose pédalos et sentiers ombragés.