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. Heidelberg liegt am Europäischen Fernwanderweg E1 (Mittelschweden–Umbrien).
Das Heidelberger Schloss ist eine der berühmtesten Ruinen Deutschlands und das Wahrzeichen der Stadt. Das Bauwerk entstand ursprünglich als wehrhafte Burg an strategisch günstiger Lage oberhalb einer Verengung des Neckartals und wurde später zur prachtvollen Residenz der Kurfürsten von der Pfalz ausgebaut. Seit den Zerstörungen 1689 und 1693 im Pfälzischen Erbfolgekrieg wurde das Schloss nur teilweise restauriert. 1764 besiegelte ein weiterer Brand nach Blitzschlag das Los des damals gerade renovierten Schlosses. Es wurde aufgegeben und die Ruine als Steinbruch (Baumaterial) für das neue Schwetzinger Sommerschloss und später für die Heidelberger Bürger verwendet, bevor es Ende des 18. Jahrhunderts von Literaten entdeckt und als Sinnbild für die Vergänglichkeit, in der Epoche der napoleonischen Kriege aber auch als patriotisches Monument begriffen wurde. Die Schlossruine erhebt sich 80 Meter über dem Talgrund am Nordhang des Königstuhls und dominiert von dort das Bild der Altstadt. Der Ottheinrichsbau, einer der Palastbauten des Schlosses, gehört zu den bedeutendsten Bauwerken der Renaissance nördlich der Alpen.
