Heidelberg liegt zum Teil in der Oberrheinischen Tiefebene überwiegend am linken Ufer des unteren Neckars vor dessen Ausfluss aus dem Odenwald in einer länglich, flussaufwärts sich zuspitzenden Talsohle, umgrenzt von Königstuhl (568 m) und Gaisberg (375 m). Der Neckar fließt hier von Ost nach West. Am rechten Neckarufer erhebt sich der Heiligenberg (445 m). Der Neckar mündet etwa 22 Kilometer nordwestlich, gemessen vom Ende der Talsohle, in Mannheim in den Rhein. Die im 20. Jahrhundert eingemeindeten Orte reichen über das Neckartal in die Bergstraße hinein, die am Rand des Odenwalds entlangführt. Die Stadt liegt in der Metropolregion Rhein-Neckar, einem 2,35 Millionen Einwohner zählenden Verdichtungsraum, der neben Teilen Südhessens und der rheinland-pfälzischen Vorderpfalz in Baden-Württemberg die beiden Stadtkreise Mannheim und Heidelberg sowie die westlichen und südlichen Gemeinden des Rhein-Neckar-Kreises umfasst.