Solothurn liegt auf 430 m ü. M. am Jurasüdfuss. Die Stadt wird durch die Aare in einen nördlichen und südlichen Bereich geteilt. Zu den kleineren Bächen zählen der Brunngraben, der Brühlgraben, der Obach, der Dürrbach sowie der St. Katharinenbach (von Westen nach Osten). Nordöstlich des Gemeindegebiets mündet die Emme bei Emmenspitz in die Aare.

Topographisch gesehen liegt die Solothurner Altstadt auf einer Endmoräne des Rhonegletschers aus der Würm-Kaltzeit, welche nach dem Abschmelzen des Gletschers bei Wangen an der Aare den Solothurnersee aufgestaut haben soll. Richtung Norden und auf der anderen Seite der Aare Richtung Süden erhöht sich das Gemeindegebiet auf 470 bzw. 450 m ü. M. Die Gemeindefläche ist 629 ha gross, davon entfielen 1994 66 % auf Siedlungen, 25 % auf Landwirtschaft und knapp 9 % auf Wald, Gehölze und unproduktives Land.

Etwa fünf Kilometer nördlich auf 1284 m ü. M. liegt der Solothurner Hausberg Weissenstein, worauf bis 2009 vom Bahnhof Oberdorf aus die Sesselbahn Oberdorf–Weissenstein führte, die seit Dezember 2014 durch eine Gondelbahn ersetzt ist.

Nachbargemeinden von Solothurn sind im Westen Bellach, im Norden Langendorf und Rüttenen, im Osten Feldbrunnen-St. Niklaus und im Süden Zuchwil sowie Biberist. Das Siedlungsgebiet von Solothurn ist heute fast lückenlos mit der Bebauung von Bellach, Langendorf, St. Niklaus und Zuchwil zusammengewachsen.