Mörfelden-Walldorf liegt in der Untermainebene im Rhein-Main-Gebiet, im Dreieck zwischen den südhessischen Großstädten Frankfurt am Main, Darmstadt und Wiesbaden und südlich des Frankfurter Flughafens. Die Stadtkerne von Walldorf im Norden und Mörfelden im Süden sind rund 3,8 Kilometer voneinander entfernt. Zwischen beiden Stadtteilen liegt noch immer eine unbebaute Freifläche von bis zu 1,5 Kilometer, nur unterbrochen durch eine Baum- und eine Gesamtschule. Im Westen hat das Stadtgebiet Anteil an dem ausgedehnten Naturschutzgebiet Mönchbruch. Östlich von Mörfelden, an der A 5, liegt mit dem Oberwaldberg (145 m), der aus einer ehemaligen Mülldeponie entstanden ist, der höchste Punkt im Kreis Groß-Gerau.