Гейдельберг расположен на Верхнерейнской низменности, на берегу реки Неккар. В этом месте река покидает свою долину в Оденвальде и выходит на равнину, где в 20 км к северо-западу от Гейдельберга сливается с Рейном. Над городом господствуют три возвышенности: Кёнигштуль (568 м), Гайсберг (375 м) на левом берегу Неккара и Хайлигенберг («гора святых», 445 м) на правом.