Kaiserslautern befindet sich in der Tiefenzone des Homburger Beckens, der westpfälzischen Moorniederung und des Kaiserslauterer Beckens. Die Stadt selbst liegt 251 Meter über dem Meer am nordwestlichen Rande des Pfälzerwaldes und wird im Süden und Osten vom Humberg bzw. Kahlenberg umrahmt. Während sich im Norden der Rothenberg bis in den Landstuhler Bruch erstreckt, wird die Stadt im Süden von der Sickinger Höhe begrenzt. Die nächst größeren Städte sind Ludwigshafen am Rhein (etwa 75 km östlich) sowie Mainz (etwa 80 km nordöstlich) und Saarbrücken (etwa 75 km westlich). Kaiserslautern zählt heute mit zu den wichtigsten Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorten in Rheinland-Pfalz.

Geographisch zeichnet sich das Gebiet vor allem durch eine dichte Vegetation in Bezug auf den Pfälzerwald und die markanten rötlichen Sandsteinböden aus, die vor etwa 60 Millionen Jahren durch das aufsteigende Rheinische Schiefergebirge entstanden. Mit Beginn des Erdmittelalters (Mesozoikum) erfolgten weitere Gebirgshebungen in den Bereichen des Schwarzwaldes und der Vogesen, wodurch überwiegend sandiges Material durch die Flüsse und den Wind in den Kaiserslauterer Raum transportiert wurden. Im Laufe der Zeit entstanden hierdurch die markanten Buntsandsteinschichten, die bis heute die Landschaft in der Region prägen und die typische Reliefgestaltung im südlich Stadtgebiet erklären. Weitere Ablagerungen der Neuzeit (Neozoikum) sind in der gesamten Umgebung auffindbar, verstärkt jedoch im Norden der Stadt. Hierzu zählen vor allem Lößlehm, Hangschuttmassen und verschiedene Sandarten.