Pod względem krain historycznych Katowice położone są we wschodniej części Górnego Śląska.
Katowice według podziału fizycznogeograficznego Jerzego Kondrackiego usytuowane są w znacznej części w mezoregionie Wyżyna Katowicka (341.13), z wyjątkiem południowej części dzielnicy Murcki, sytuowanej już w granicach Pagórów Jaworznickich (341.14). Mezoregiony te stanowią południową część Wyżyny Śląskiej, wchodzącą w skład podprowincji Wyżyna Śląsko-Krakowska. Skrajne wysokości miasta sięgają od ok. 245 m n.p.m. (dolina Kłodnicy w Ligocie-Panewnikach i dolina Mlecznej w Murckach) do 357,6 m n.p.m. (Wzgórze Wandy). Geologicznie miasto położone jest w dewońsko-karbońskim zapadlisku górnośląskim, a hydrologicznie leży na dziale wodnym Wisły i Odry.
Powierzchnia miasta wynosi 164,73 km² (przed 2022 rokiem było to 164,64 km²), co stanowi 6,4% powierzchni Górnośląsko-Zagłębiowskiej Metropolii i 1,3% powierzchni województwa śląskiego. Rozciągłość południkowa miasta wynosi 18,6 km, a równoleżnikowa 16,7 km.
Środowisko naturalne Geologia mały|Fragment partii szczytowej Kamiennej Góry w Murckach z widocznymi wgłębieniami po eksploatacji dolomitu