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Heilbronn liegt im nördlichen Baden-Württemberg in der vom Neckar geschaffenen, fruchtbaren Talfläche des Heilbronner Beckens, einem nördlichen Ausläufer des Neckarbeckens. Im Westen schließt sich das vergleichsweise wenig hügelige Gartacher Feld an. Im Osten umschließen von Norden nach Süden als Ausläufer der Löwensteiner Berge die Heilbronner Berge die Stadt, an deren Hängen sich ausgedehnte Weinberglandschaften befinden; dazu gehören unter anderem die Erhebungen Büchelberg, Galgenberg, Gaffenberg, Hintersberg, Reisberg, Schweinsberg und Wartberg. Nördlich davon liegt die Sulmer Bergebene.

Der höchste Punkt des Stadtgebiets liegt auf dem in der äußersten südöstlichen Spitze des Stadtwaldes gelegenen, 378 m ü. NN hohen Reisberg, die zweithöchste Erhebung ist mit 372,8 m der Schweinsberg. Ihren tiefsten Punkt erreicht die Gemarkung mit 151 m am Neckar an der Gemarkungsgrenze zu Neckarsulm. Das Stadtgebiet dehnt sich in Nord-Süd-Richtung über 13 Kilometer, in Ost-West-Richtung über 19 Kilometer aus. Heilbronn hat Anteil an den drei Naturräumen Neckarbecken, Kraichgau und Schwäbisch-Fränkische Waldberge.

Der Heilbronner Dialekt ist eine Variante des südfränkischen Dialekts in der Übergangszone zur Alemannischen Dialektgruppe.

Heilbronn liegt im nördlichen Teil des vielfältig zergliederten Südwestdeutschen Schichtstufenlandes. Eine Tiefbohrung, die 1912/13 im Heilbronner Nachbarort Erlenbach auf 163,68 m ü. NN bis in 856 m Tiefe niedergebracht und 1954/56 durch seismische Untersuchungen ergänzt wurde, erbrachte Aufschluss über die Gesteinszusammensetzung im Raum Heilbronn. Die Oberfläche des ursprünglichen, aus Gneisen und Graniten zusammengesetzten variszischen Grundgebirges liegt demnach in 1080 bis 1100 m unter NN. Darüber liegen mehrere hundert Meter dicke Schichten von Sedimentgesteinen, zuunterst die des Perm (rund 390 m Rotliegend, 23,6 m Zechstein), gefolgt von denen der Trias: 517,2 m Buntsandstein (rund 80 m Unterer Buntsandstein, 370 m Mittlerer Buntsandstein, 67 m Oberer Buntsandstein), rund 238 m Muschelkalk (72,7 m Unterer Muschelkalk, 86,1 m Mittlerer Muschelkalk, 78,7 m Oberer Muschelkalk) und schließlich Keuper (27,5 m Unterer Keuper, 25,7 m Mittlerer Keuper). Im mittleren Muschelkalk ist im Norden der Kernstadt und im Nordwesten des Stadtgebietes ein bis zu 45 m mächtiges Steinsalz-Vorkommen abgelagert, das bergmännisch ausgebeutet wird.

Mit dem Mittleren Keuper ist fast das Niveau des Neckars erreicht, der das Stadtgebiet von Süden nach Norden teilt. In der Flussaue, die große Teile des Heilbronner Industriegebietes und den westlichen Stadtteil zwischen Altneckar und Neckarkanal umfasst, wird er von einer rund drei Meter hohen Decke des vom Neckar abgelagerten Talaueschotters überlagert, auf der wiederum rund drei Meter angeschwemmte Lehme liegen. Weiter entfernt vom Fluss befinden sich Schotterschichten, die unter der Kernstadt nur fünf bis zehn Meter mächtig sind, aber im Westen des Stadtgebietes zwischen Böckingen, Frankenbach und Neckargartach bis zu 35 m erreichen. Fast überall liegt auf ihnen noch eine 6 bis 13 Meter dicke Schicht aus angewehtem, fruchtbarem Löss und Lösslehm.

Die nicht von Flussablagerungen bedeckten Heilbronner Berge im Osten des Stadtgebietes spiegeln die weitere geologische Schichtenabfolge wider, die im übrigen Stadtgebiet durch Erosion abgetragen wurde. Auf 28 bis 29 Metern Unterer Keuper folgen 130 bis 150 Meter Gipskeuper (Grabfeld-Formation) und eine etwa 20 bis 45 Meter mächtige Schilfsandstein-Schicht, die früher in Steinbrüchen ausgebeutet wurde und deren braungelbe Heilbronner Sandsteine ehedem das Heilbronner Stadtbild prägten. Die drei höchsten Berge im Südosten des Stadtgebietes, der Reisberg (378 m ü. NN), der Schweinsberg (372,8 m ü. NN) und der Hintersberg (364,8 m ü. NN), tragen darüber noch die höheren Schichten der Unteren Bunten Mergel und der Lehrbergschichten (zusammen rund 32 bis 35 Meter) sowie Kieselsandstein (5 bis 16 Meter).

Im Norden beginnend und im Uhrzeigersinn aufgeführt grenzen die Städte Bad Wimpfen und Neckarsulm, die Gemeinde Erlenbach, die Stadt Weinsberg, die Gemeinden Lehrensteinsfeld, Untergruppenbach, Flein und Talheim, die Stadt Lauffen am Neckar, die Gemeinde Nordheim, die Stadt Leingarten, die Stadt Schwaigern, die Gemeinde Massenbachhausen und die Stadt Bad Rappenau an Heilbronn. Alle Nachbarstädte und -gemeinden liegen im Landkreis Heilbronn. Mit Neckarsulm ist Heilbronn zu einer geschlossenen Siedlungsfläche zusammengewachsen.

Das Stadtgebiet von Heilbronn ist in neun Stadtteile gegliedert. Neben Heilbronn selbst sind dies die ehemals selbstständigen Gemeinden Biberach, Böckingen, Frankenbach, Horkheim, Kirchhausen, Klingenberg, Neckargartach und Sontheim.

Zu manchen Stadtteilen gehören noch weitere Orte im geographischen Sinne wie Einzelhöfe und Wohnplätze. Im Einzelnen sind dies zu Biberach die Höfe Konradsberg, zu Frankenbach der Hipfelhof und zu Neckargartach der Altböllinger Hof, Neckarau und der Neuböllinger Hof.

Abgegangene, heute nicht mehr bestehende Orte sind Hetensbach und Rühlingshausen auf Markung Böckingen, Utenhusa auf Markung Biberach, Altböckingen, Hanbach und Rappach auf Markung Heilbronn, Böllingen und Trapphof auf Markung Neckargartach sowie Ascheim und Widegavenhusa auf Markung Kirchhausen.

Böckingen, Frankenbach und Neckargartach gehörten bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts als reichsstädtische Dörfer zu Heilbronn. Böckingen und Neckargartach wurden 1933 bzw. 1938 wieder eingemeindet; das einstige Deutschordens-Dorf Sontheim kam ebenfalls 1938 zu Heilbronn. Die restlichen Stadtteile folgten mit der Gebietsreform in den 1970er Jahren: 1970 Klingenberg, 1972 Kirchhausen, 1974 Biberach, Frankenbach und Horkheim. Abgesehen von den relativ weit von der Kernstadt entfernten Stadtteilen Biberach und Kirchhausen, die vollständig von landwirtschaftlichen Flächen umgeben sind, ist Heilbronn mit seinen Stadtteilen zu einem nahezu geschlossenen Siedlungsgebiet verwachsen.

Nach Daten des Statistischen Landesamtes, Stand 2015.

Im Stadtgebiet von Heilbronn finden sich folgende Naturschutzgebiete:

Das Neckartal bei Heilbronn gehört zu den wärmsten Gegenden Baden-Württembergs. Es herrscht ein gemäßigtes Kontinentalklima mit milden Wintern und warmen bis heißen Sommern vor, das den ausgiebig betriebenen Weinbau begünstigt. Die durchschnittliche Jahrestemperatur lag lt. Daten des Deutschen Wetterdienstes in der Normalperiode 1961–1990 bei 9,8 °C, der jährliche Niederschlag bei 758,1 mm.

Heilbronn gehört mit dem Umland zum nördlichen Bereich des Verdichtungsraums Stuttgart. Die Stadt ist Oberzentrum der Region Heilbronn-Franken und damit eines von insgesamt 14 im Rahmen des Landesentwicklungsplans 2002 des Landes Baden-Württemberg ausgewiesenen Oberzentren. Dieses übernimmt auch die Aufgaben des Mittelbereichs für den kompletten Landkreis Heilbronn außer dessen Nordosten, der den Mittelbereich der Stadt Neckarsulm bildet. Im Einzelnen sind dies die Städte und Gemeinden Abstatt, Bad Rappenau, Bad Wimpfen, Beilstein, Brackenheim, Cleebronn, Eberstadt, Ellhofen, Eppingen, Flein, Gemmingen, Güglingen, Ilsfeld, Ittlingen, Kirchardt, Lauffen am Neckar, Lehrensteinsfeld, Leingarten, Löwenstein, Massenbachhausen, Neckarwestheim, Nordheim, Obersulm, Pfaffenhofen an der Zaber, Schwaigern, Siegelsbach, Talheim, Untergruppenbach, Weinsberg, Wüstenrot und Zaberfeld.

Raumbedeutsame Maßnahmen werden für die Region Heilbronn-Franken durch den Regionalverband Heilbronn-Franken erarbeitet.