Lauffen liegt im südlichen Teil des Landkreises Heilbronn, rund 9 km südlich der Kreisstadt Heilbronn und rund 30 km nördlich der Landeshauptstadt Stuttgart, am Neckar, in den hier die Zaber einmündet. Der in nördliche Richtung fließende Neckar wurde hier einst durch einen Felsrücken gezwungen, eine große, beinahe ringförmige Schleife in Richtung Westen zu bilden. Durch die Erosionskräfte des Wassers wurde der Felsen im Zeitraum 400 bis 100 v. Chr. durchbrochen. Der Neckar floss über viele Stromschnellen und Strudel mit hoher Geschwindigkeit durch die geschaffene Lücke. Auf dieses Laufen des Flusses (im 20. Jahrhundert durch Kanalisierung eingedämmt) geht der Stadtname zurück. Das ehemalige Flussbett in der Westschleife liegt nun trocken. Im nördlichen Teil fließt die Zaber, bis zu ihrer Mündung in den Neckar, auf wenigen Kilometern in der ehemaligen Neckarschlinge. Das alte Flussbett wird von einem ringförmigen Hügel begrenzt, dessen Hang teils vom Kaywald bedeckt ist, teils für den Weinbau genutzt wird.

Im Zentrum der alten Neckarschlinge, westlich des heutigen Flusslaufs, befindet sich ein Hügel, der durch den Neckardurchbruch von seinem Pendant am heutigen östlichen Flussufer abgetrennt wurde. Auf dem Ausläufer dieses Hügels direkt am Neckar (heute Standort der Regiswindiskirche) wurde Lauffen gegründet, der später so genannte Stadtteil Lauffen-Dorf liegt größtenteils auf diesem Hügel. Am Neckardurchbruch liegt eine Insel, auf der sich die frühere Grafenburg mit dem heutigen Rathaus befindet; der Rest der Insel steht unter Naturschutz. Auf einem Hügel östlich des Neckars, dem Pendant zum Hügel im Westen, befindet sich der zu einem späteren Zeitpunkt gegründete Stadtteil Lauffen-Stadt. Beide Stadtteile sind mit der Neckarbrücke verbunden, von Lauffen-Stadt führt eine weitere Brücke zur Rathausinsel. Westlich des Neckars und nördlich von Dorf und Zaber gab es einst ein Dominikanerinnenkloster, aus dem sich ein weiterer, auch „Dörfle“ genannter Siedlungskern entwickelte.

Eine Lauffener Exklave, der etwa 153 Hektar große Stadtwald Etzlenswenden (bei dem gleichnamigen Ort), befindet sich 13 bis 15,5 Kilometer weiter östlich in den Löwensteiner Bergen. Das Waldstück wurde der Stadt Lauffen vermutlich schon von ihren Gründern um das Jahr 1200 zugewiesen, da die Stadt anders als das Dorf auf ihrer Gemarkung kaum über Wald verfügte, aber Bau- und Brennholz benötigte.

In diesem Waldstück liegt auch der mit 452 m ü. NN höchste Punkt des Stadtgebiets. Der höchste Punkt außerhalb dieser Exklave liegt mit 257,9 m ü. NN im Gewann Renngrund im Osten, der tiefste Punkt mit 160 m ü. NN im Norden des Stadtgebiets am Neckar. Lauffen liegt im Naturraum Neckarbecken. Die unbewohnte Exklave bei Etzlenswenden wird dem Naturraum Schwäbisch-Fränkische Waldberge zugerechnet.

Nachbarstädte und -gemeinden Lauffens sind (im Uhrzeigersinn, beginnend im Westen): Brackenheim, Nordheim, Heilbronn (Stadtkreis), Talheim, Ilsfeld, Neckarwestheim und Kirchheim am Neckar (Landkreis Ludwigsburg). Die Exklave Stadtwald Etzlenswenden liegt zwischen (von Westen) Abstatt, Untergruppenbach, Löwenstein und Beilstein. Bis auf Heilbronn und Kirchheim gehören alle Nachbarorte zum Landkreis Heilbronn. Mit Neckarwestheim und Nordheim ist Lauffen eine Vereinbarte Verwaltungsgemeinschaft eingegangen.

Die Stadt Lauffen am Neckar bestand bis zum 1. April 1914 aus den beiden Teilgemeinden Lauffen-Dorf (links des Neckars) und Lauffen-Stadt (rechts des Neckars), die zu diesem Datum aufgehoben wurden. Zu Lauffen gehören noch die Höfe Landturm (die auf den Lauffener Landturm am Württembergischen Landgraben zurückgehen), Bortental, Renngrund, Rieder, Rotenberg, Siegersgrund und Wannenberg. Abgegangene, also nicht mehr bestehenden Orte auf der Markung Lauffens sind Auen, Hofstatt, Hohfeld, Jungesheim, Konsten (bzw. Konstheim), Osterhofen und Raitern. Die früheren Orte „zu Brücken“ und Talhofen gingen in Lauffen-Dorf auf.

Nach Daten des Statistischen Landesamtes, Stand 2014.