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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.

Nach Daten des Statistischen Landesamtes, Stand 2015

Da Heidelberg in einer der wärmsten Regionen Deutschlands liegt, gedeihen hier für mitteleuropäische Verhältnisse einige Besonderheiten, wie etwa – im Freiland gärtnerisch gepflanzt – Mandel- und Feigenbäume oder auch Ölbäume. Den „Balkon“ der Stadt bildet mit vielen exotischen Gewächsen der Philosophenweg gegenüber der Altstadt. Dort wurde im Jahr 2000 auch wieder erfolgreich mit dem Weinanbau begonnen.

Außerdem gibt es in Heidelberg Populationen frei lebender Halsbandsittiche, deren ornithologischer Name Psittacula krameri lautet, sowie eine freilebende Population der sibirischen Schwanengans, die man vor allem auf der Neckarinsel vor Bergheim und auf den Neckarwiesen antreffen kann. Naturschutzfachlich wird aber vielfach auch auf die Problematik solcher Einbürgerungen gebietsfremder Arten (Neobiota) verwiesen, die in der Regel aus entflohenen Zoo- oder Haustieren (Gefangenschaftsflüchtlinge) entstanden sind.

Im Stadtgebiet Heidelberg bestehen folgende fünf Naturschutzgebiete. Damit stehen 85,4 Hektar des Stadtgebiets unter Naturschutz, das sind 0,78 Prozent.

Heidelberg ist Sitz des Landratsamtes des Rhein-Neckar-Kreises. Die Stadt selbst ist kreisfrei innerhalb des Regierungsbezirks Karlsruhe. Heidelberg gehört zum Verdichtungsraum Rhein-Neckar, der neben Teilen von Süd-Hessen und der Vorderpfalz in Rheinland-Pfalz in Baden-Württemberg die beiden Stadtkreise Mannheim und Heidelberg sowie die westlichen und südlichen Gemeinden des Rhein-Neckar-Kreises umfasst. Er bildet mit einer großen Anzahl von weiteren Kommunen den als Rhein-Neckar-Dreieck bekannten Wirtschaftsraum. 2005 wurde das Rhein-Neckar-Dreieck europäische Metropolregion.

Innerhalb der Region Rhein-Neckar bildet Heidelberg neben Mannheim ein Oberzentrum, von denen für ganz Baden-Württemberg nach dem Landesentwicklungsplan 2002 insgesamt 14 ausgewiesen sind. Das Oberzentrum Heidelberg übernimmt für die umliegenden Gemeinden Dossenheim, Schriesheim, Wilhelmsfeld, Heddesbach, Heiligkreuzsteinach, Schönau, Neckargemünd, Wiesenbach, Bammental, Gaiberg, Leimen, Nußloch, Sandhausen und Eppelheim auch die Funktion eines Mittelbereichs im Rahmen der Verwaltungsstrukturen des Landes.

Folgende Städte und Gemeinden grenzen direkt an die Stadt Heidelberg, beginnend im Westen im Uhrzeigersinn: Eppelheim, Plankstadt, Mannheim, Edingen-Neckarhausen, Dossenheim, Schriesheim, Wilhelmsfeld, Schönau, Neckargemünd, Bammental, Gaiberg, Leimen, Sandhausen, Oftersheim (bis auf die Stadt Mannheim alle zum Rhein-Neckar-Kreis gehörig).

Die Stadt Heidelberg ist in 15 Stadtteile und 47 Stadtbezirke gegliedert. Dazu gehören sieben ehemalige Nachbardörfer, die bis 1975 eingemeindet wurden. Zu einigen Stadtteilen gehören noch weitere kleine, separat gelegene Wohnplätze und Gehöfte.

Das Klima in der Region in der geschützten Lage zwischen Pfälzerwald und Odenwald ist ganzjährig mild und wird zu 65 Prozent durch die Zufuhr von maritimen Luftmassen aus westlichen Richtungen bestimmt. Im Vergleich zur nahen Rheinebene bewirkt die Lage Heidelbergs am Ausgang des Neckartals eine überdurchschnittliche Häufigkeit von Ostwinden. Die Hänge des Odenwalds begünstigen Wolkenbildung und Niederschläge. Die DWD-Klimastation in Heidelberg maß zwischen 1971 und 2000 eine Durchschnittstemperatur von 11,1 °C und eine Niederschlagsmenge von 745 mm pro Jahr. Der wärmste Monat ist der Juli mit durchschnittlich 20,1 °C, der kälteste der Januar mit 2,5 °C. Temperaturen über 30 °C sind im Hochsommer keine Seltenheit. Die meisten Niederschläge fallen im Juli, und der trockenste Monat ist der März .