Dossenheim liegt an der Badischen Bergstraße am Fuß des Odenwaldes in der Metropolregion Rhein-Neckar. Im Westen der Gemarkung beginnt die Oberrheinische Tiefebene. Der zum Ort gehörende Weiler Schwabenheim liegt außerdem am Neckar. Die Berge des Odenwaldes im Osten sind durch drei Bäche und ihre Täler zerschnitten.

Das Gemeindegebiet erstreckt sich über 1416 Hektar. Davon sind 17,2 Prozent Siedlungs- und Verkehrsfläche, 32,3 Prozent werden landwirtschaftlich genutzt und 44,2 Prozent sind bewaldet. In den letzten Jahren und Jahrzehnten veränderte sich die Waldfläche kaum, die Siedlungsfläche dehnte sich dagegen, vor allem auf Kosten der Landwirtschaftsfläche, unregelmäßig aus.

Beim Weiler Schwabenheim überwindet eine Neckarschleuse eine Höhendifferenz von 8,7 Metern. Hier endet der Seitenkanal Wieblingen, welcher parallel zum Altneckar verläuft. Dieser ist Teil des rund 550 ha großen Natur- und Landschaftsschutzgebiets Unterer Neckar. Vom Odenwald her kommen Mühl-, Brenken- und Mantelbach, diese sind allerdings innerhalb des Siedlungsgebiets zum Großteil verdolt. Im Westen der Gemarkung fließen sie in den Rombach, welcher wiederum in den Kanzelbach mündet. Dieser erreicht schließlich bei Ladenburg den Neckar.

Der Ölberg ist, wie andere Berge in Dossenheim auch, geprägt von durch Gesteinsabbau entstandenen Terrassen, Felswänden und Schutthalden. Die vielfältige Biotopstruktur bietet Lebensraum für zahlreiche bedrohte Tier- und Pflanzenarten und steht daher seit 1998 unter Naturschutz. Das Waldgebiet auf dem Ölberg ist als Schonwald eingestuft. Die Gemarkung östlich der B 3 ist Teil des Naturparks Neckartal-Odenwald. Fast alle unbebauten Flächen des Naturparks gehören zum Landschaftsschutzgebiet Bergstraße-Mitte.

Zur Gemeinde gehören außer Dossenheim selbst der etwa drei Kilometer weiter westlich liegende Weiler Schwabenheim und der Wohnplatz Zum Weißen Stein. Die amtliche Kreis- und Gemeindebeschreibung nennt weiterhin die in Dossenheim aufgegangenen Wohnplätze OEG-Bahngebäude und Bärenstein. Im Gemeindegebiet lag die 801 erwähnte abgegangene Ortschaft Bernhardteshusen, die möglicherweise mit dem 1298 erwähnten Wilre identisch ist. Ebenfalls abgegangen ist das erstmals 767 urkundlich belegte Dorf Hillenbach, welches südlich von Dossenheim am Höllenbach lag.

Auf den Bergen im Osten Dossenheims liegt eine teilweise über 150 Meter mächtige Schicht aus Rhyolith (auch Quarzporphyr), die Teil der Schriesheim-Formation ist und in den Steinbrüchen des Ortes über Jahrzehnte abgebaut wurde. Entstanden ist der Dossenheim-Quarzporphyr im Perm vor etwa 290 Millionen Jahren, als es in der Region noch regen Vulkanismus gab. Daraus resultieren auch größere Granitvorkommen, die allerdings kaum abgebaut wurden. An den Hängen des Odenwaldes findet man zudem Löss, sowie vor allem im Osten der Gemarkung den in der Region weit verbreiteten Sandstein.

In der Umgebung Dossenheims gab es auch einige Silberfunde, beispielsweise in Schriesheim und Hirschberg. Für eine weitergehende Beschreibung des Bergbaus in der Region, siehe auch: Liste von Bergwerken im Odenwald.

Dossenheim liegt direkt nördlich der Großstadt Heidelberg, mit der es direkt durch die Bundesstraße 3, sowie per Schiene durch die Bahnstrecke Weinheim–Heidelberg („OEG“) verbunden ist. Die Gemarkungsgrenze liegt nahe dem Siedlungsgebiet Dossenheims. Das Zentrum Heidelbergs (Altstadt) ist etwa fünf Kilometer weit entfernt. Die größte Stadt der Region, Mannheim, liegt etwa 20 Kilometer entfernt. Außer an Heidelberg grenzt Dossenheim an folgende Orte: Im Südwesten an Edingen-Neckarhausen (liegt gegenüber Schwabenheim, auf der anderen Neckarseite), im Westen an Ladenburg und im Norden an Schriesheim.

Dossenheim gehört, ähnlich wie Heidelberg, mit der geschützten Lage im Oberrheingraben zum wärmsten Gebiet Deutschlands. Zu großen Teilen wird das Wetter durch die Zufuhr maritimer Luftmassen aus Westen bestimmt. Die Hänge des Odenwaldes begünstigen die Wolkenbildung, was dazu beiträgt, dass es das ganze Jahr über deutliche Niederschläge gibt. Eine Klimastation in Heidelberg maß zwischen den Jahren 1971 und 2000 eine Niederschlagsmenge von etwa 745 mm pro Jahr, sowie eine Durchschnittstemperatur von 11,1 °C. Der wärmste Monat ist der Juli (20,1 °C), der kälteste der Januar (2,5 °C).