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Zwischen dem Weschnitztal und dem Grundelbachtal erhebt sich der 400 Meter hohe Wachenberg, nördlich davon der Hirschkopf und der 348 Meter hohe Saukopf und südlich davon der 340 Meter hohe Geiersberg. Die höchste Erhebung ist mit 526 Metern der Eichelberg im Odenwald im Stadtteil Oberflockenbach. Durch die Lage an der Bergstraße herrscht in Weinheim ein mildes Klima, das häufig in einer für Deutschland sehr frühen Mandelbaumblüte sichtbar wird. Die Gemarkung erstreckt sich über 5811 Hektar. Davon sind 24,2 % Siedlungs- und Verkehrsfläche, 42,9 % werden landwirtschaftlich genutzt und 30,0 % sind bewaldet.

Nachbargemeinden: Folgende Städte und Gemeinden grenzen an die Stadt Weinheim. Sie werden im Uhrzeigersinn beginnend im Osten genannt:
Birkenau und Gorxheimertal (beide Kreis Bergstraße in Hessen), Heiligkreuzsteinach, Schriesheim, Hirschberg an der Bergstraße und Heddesheim (alle Rhein-Neckar-Kreis), Viernheim (Kreis Bergstraße) sowie Hemsbach (Rhein-Neckar-Kreis).

Stadtgliederung: Die Stadt Weinheim besteht aus der Kernstadt und den zehn Stadtteilen Hohensachsen, Lützelsachsen, Oberflockenbach, Steinklingen, Wünschmichelbach, Rippenweier, Rittenweier, Heiligkreuz, Ritschweier und Sulzbach. Die Stadtteile bilden sechs Ortschaften im Sinne der baden-württembergischen Gemeindeordnung mit jeweils eigenem Ortschaftsrat und Ortsvorsteher als dessen Vorsitzender, wobei die Stadtteile Oberflockenbach, Steinklingen und Wünschmichelbach zur Ortschaft Oberflockenbach und die Stadtteile Rippenweier, Rittenweier und Heiligkreuz zur Ortschaft Rippenweier zusammengefasst werden. Das gesamte Stadtgebiet wird zudem in sechs Wohnbezirke im Sinne der baden-württembergischen Gemeindeordnung gegliedert, wobei die Ortschaften Hohensachsen und Ritschweier zusammen einen Wohnbezirk bilden, die restlichen Ortschaften sowie die Kernstadt bilden je einen Wohnbezirk.

Zur Ortschaft Hohensachsen (2.477 Einwohner am 30. Juni 2008) gehören das Dorf Hohensachsen und der Ort Siedlung im Ritschweier Tal. Zur Ortschaft Lützelsachsen (4.588 Einwohner) gehören das Dorf Lützelsachsen und das Haus Kinder- u. Jugendheim Pilgerhaus. Zur Ortschaft Oberflockenbach (2.183 Einwohner) gehören das Dorf Oberflockenbach, der Weiler Steinklingen, das Gehöft Wünschmichelbach und das Haus Daummühle. Zur Ortschaft Rippenweier (1.075 Einwohner) gehören das Dorf Rippenweier, der Weiler Rittenweier, die Orte Heiligkreuz und Hohert (Ferienheim) und das Haus Deisenklinge. Zur Ortschaft Ritschweier (303 Einwohner) gehören das Dorf Ritschweier und der Weiler Oberkunzenbach. Zur Ortschaft Sulzbach (2.750 Einwohner) gehören das Dorf Sulzbach und das Gehöft Sulzbacherhof. Zur Kernstadt Weinheim (29.624 Einwohner) gehören die Stadt Weinheim, die Weiler Bertleinsbrücke und Weid und die Orte Nächstenbach, Nächstenbacher Berg, Ofling und Waid.