Kaiserslautern liegt am nordwestlichen Rand des Pfälzerwaldes im Kaiserslauterer Becken. Die Stadt wird im Süden und Osten von bewaldeten Höhen wie dem Humberg oder dem Kahlenberg und im Norden vom Rothenberg umrahmt und dehnt sich im Westen in das Landstuhler Bruch aus, das im Süden von der Sickinger Höhe begrenzt wird. Die Stadt wird von der Lauter durchflossen, die im Stadtinneren jedoch unterirdisch geführt wird. Die nächsten größeren Städte sind Ludwigshafen am Rhein, etwa 75 km östlich, Mainz etwa 80 km nordöstlich und Saarbrücken etwa 75 km westlich. Kaiserslautern befindet sich auf einem Rotsandsteingebirge, welches ursprünglich von Muschelkalksedimenten überlagert war. Diese Sedimente wurden später jedoch ausgewaschen und im Westrich abgelagert.

Folgende Städte und Gemeinden grenzen an die Stadt Kaiserslautern, sie werden im Uhrzeigersinn beginnend im Norden genannt und liegen alle - außer der Gemeinde Elmstein, die zum Landkreis Bad Dürkheim gehört - im Landkreis Kaiserslautern: Otterbach, Otterberg, Mehlingen, Enkenbach-Alsenborn, Fischbach, Hochspeyer, Waldleiningen, Elmstein, Trippstadt, Stelzenberg, Schopp, Krickenbach, Queidersbach, Bann, Kindsbach, Landstuhl, Ramstein-Miesenbach, Weilerbach, Rodenbach, Katzweiler, Hauptstuhl.