Stuttgart liegt im Zentrum des Landes Baden-Württemberg. Die Kernstadt befindet sich zwischen „Hängen und Reben“ im sogenannten „Stuttgarter Kessel“, einer Talerweiterung des (inzwischen meist überwölbten) in den Neckar mündenden Nesenbaches und seiner Nebenbäche. Die Stadtteile reichen im Norden bis in das Neckarbecken, im Westen bis in den Glemswald und auf das Gäu, im Osten bis zu den Ausläufern des Schurwaldes und im Süden bis zur Filderebene und den Ausläufern des Schönbuchs. Im Südosten fließt der Neckar bei den Stadtbezirken Hedelfingen/Obertürkheim von Esslingen am Neckar kommend in das Stadtgebiet und verlässt es im Stadtbezirk Mühlhausen im Nordosten wieder.
Das Stadtgebiet erstreckt sich über eine Höhenlage von 207 m über NN bei der Neckarschleuse Hofen bis 549 m auf der Bernhartshöhe nahe dem Autobahnkreuz Stuttgart. Zu den markantesten Erhebungen gehören der Birkenkopf (511 m) am Rand des Talkessels, der Wirtemberg (411 m) über dem Neckartal und der Grüne Heiner (395 m) an der nordwestlichen Stadtgrenze.