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Plauen liegt im Mittelvogtländischen Kuppenland. Das Stadtgebiet ist deshalb von den typischen, meist bewaldeten Kuppen, auch Pöhle genannt, geprägt. Es erstreckt sich über rund 102 km² (Stand: Dezember 2002). In Nord-Süd-Richtung dehnt sich der vereinfacht rautenförmige Grundriss auf etwa 16 km und in Ost-West-Richtung auf etwa 12 km aus.

Die mittlere Höhe von 412 m ü. NN ist in Plauen ein sehr theoretischer Wert, denn der tiefste Punkt ist die Elstersohle mit 305 Metern (liegt im Ortsteil Röttis), der höchste Berg ist mit 525 Metern der bewaldete Culmberg (im südlichen Stadtteil Oberlosa). Hausberg von Plauen ist der 507 Meter hohe Kemmler mit einem Bismarckturm.

Plauen liegt im Tal und an den Uferhängen der Weißen Elster. Im Bereich der Einmündung der Syra weitet sich das Tal zu einem Becken mit dem Stadtzentrum. Die Weiße Elster fließt von Südwesten durch die Ortschaft Straßberg ins ursprüngliche Plauener Stadtgebiet. Etwa in der Stadtmitte schwenkt sie nach Norden, fließt durch den Stadtteil Chrieschwitz und bildet dann die östliche Grenze des Stadtgebiets. Dabei teilt sie es in zwei etwa gleich große Bereiche.

Während das ursprüngliche Stadtgebiet, also die Innenstadt, ein verdichtetes städtisches Wohn- bzw. Mischgebiet ist, sind besonders die von 1994 bis 1999 eingemeindeten Ortschaften durch den hohen Anteil (55 %) an landwirtschaftlicher Nutzfläche (LNF) geprägt. Dies ist der höchste Wert im Vergleich mit den vier nächstgrößeren Städten Sachsens. Als einzige dieser Städte besitzt Plauen eine rein ländliche Stadtrandzone. Plauen ist von vielen Grünflächen durchzogen; besonders im Norden und Süden befinden sich ausgedehnte Waldflächen. Der Waldanteil ist mit 18 %, nach Dresden mit 21 %, der zweitgrößte der großen sächsischen Städte.

Das hügelige Umland ist in etwa gleichem Verhältnis von Feldern, Wiesen und Wäldern bedeckt. In kurzer Entfernung zur Stadt befinden sich die auch als Naherholungsgebiete genutzten beiden großen Talsperren Pöhl (nordöstlich) und Pirk (südlich).

Geologisch liegt Plauen in der Vogtländischen Mulde (Vogtländisches Synklinorium). Der größte Teil der Stadt liegt in der Hauptmulde, der Stadtteil Kauschwitz in einem Ausläufer der Mehltheuerer Kulmmulde. Die Hauptmulde ist durch zahlreiche Diabaskuppen stark gegliedert, die Kulmmulde erscheint eher gleichmäßig.

Das Stadtgebiet ist geologisch außergewöhnlich kompliziert aufgebaut. Die vielen verschiedenen Gesteine werden mehreren Formationen des Paläozoikums zugeordnet. Beeinflusst wurde die Struktur hauptsächlich in der Zeit der Variskischen Gebirgsbildung. Verschiedene Gesteinsschichten sind gegeneinander verschoben, verworfen und erodiert.

Das breite Kerbsohlental der Elster teilt die Stadt in einen Nord- und einen Südteil. Der Nordteil steigt, ausgehend von der Elstersohle, in der Innenstadt relativ steil an. Dort hebt sich ein Diabasrücken heraus, der als steiler Hangabfall auf Höhe des ehemaligen Schlosses zu erkennen ist. Anschließend geht das Gebiet in eher flachere Formationen über, die hauptsächlich aus verschiedenen Ton- und Alaun-Schiefern des Ordoviziums, des Silurs und des Devons bestehen. Durch eine breite Störung sind diese Schieferfolgen gegen die westlich und nordwestlich anschließenden Diabasgesteine abgegrenzt. Die Störung zieht sich etwa von der Friedensbrücke über den Bärenstein-Osthang, den Rähnisberg bis etwa zur Karolastraße und verläuft dann nordöstlich bis zum Pietzschebach. Sie erscheint als eine Zone von stark zersetztem Diabas und Schiefer, während die westlich der Störung liegenden Gebiete (Haselbrunn, Neundorf, Straßberg) durch verschiedene Diabasgesteine, wie Tuffe, Brekzien und Konglomerate gekennzeichnet sind.

Den Südteil der Stadt prägen Tonschiefer des Ordoviziums und des Devons, die sich als breiter Streifen von Reusa bis nach Thiergarten ziehen. Ganz im Süden befindet sich das Diabasgebiet des Kemmlers und des Schwarzen Holzes. In der Ost- und der Südvorstadt gibt es noch einige Kiesvorkommen, die als junge Flussablagerungen der Weißen Elster angesehen werden.

Das Vogtland und damit auch Plauen liegen in einem der seismisch aktivsten Gebiete Deutschlands. Die Epizentren der Schwarmbeben befinden sich meist in der Nähe geologischer Störungen. Die Intensität liegt in den meisten Fällen jedoch unter drei auf der Richterskala, wodurch die Beben kaum wahrgenommen werden.

In Plauen und im Vogtland herrscht das Klima der warmgemäßigten feuchten Westwindzone Mitteleuropas mit wechselhafter Witterung. Im Vergleich zu weiter westlich gelegenen Regionen Deutschlands sind deutlich kontinentale Einflüsse (wärmere Sommer, kältere Winter) zu beobachten. Aufgrund des Einflusses der umgebenden Mittelgebirge ist das Wetter im Vogtland wind- und niederschlagsärmer als in anderen Regionen Deutschlands mit vergleichbarer Höhenlage.
In Plauen beträgt die durchschnittliche Lufttemperatur 7,5 °C, wobei die wärmsten Monate der Juli und der August mit durchschnittlichen Temperaturen von ca. 16 °C sind. Im Plauener Raum gibt es im Jahr durchschnittlich 26 bis 30 Sommertage (≥ 25 °C) bei einer mittleren Sonnenscheindauer von 1450 bis 1500 Stunden im Jahr.
Der durchschnittliche jährliche Niederschlag beträgt in Plauen 582 Millimeter. Dies stellt ein Minimum im Vogtland dar, bedingt dadurch, dass die Stadt im Lee der vorgelagerten Mittelgebirge liegt, sich die Luft am Westerzgebirge staut und die Wolken sich dort abregnen. Schneefälle sind von November bis April normal, wobei sich nicht immer eine Schneedecke ausbildet. Selten schneit es schon im Oktober oder noch im Mai.
In Plauen sind südwestliche bis südliche Windrichtungen vorherrschend, wobei es in der kalten Jahreszeit zu sogenannten „böhmischen Winden“, also Kaltluftausflüssen aus dem Böhmischen Becken kommen kann. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit beträgt etwa 3 bis 4 m/s.

Die Stadt cap mit über 102 Quadratkilometern ein ähnliches Stadtgebiet wie Paris mit etwa 105 Quadratkilometer. Plauen besteht aus 39 Stadtteilen in 23 Gemarkungen, die in die fünf Stadtgebiete Zentrum, Nord, Ost, Süd und West eingeteilt sind. Jedes Stadtgebiet besteht aus bis zu elf Stadtteilen. Die 1996 und 1999 nach Plauen eingemeindeten Stadtteile sind zugleich Ortschaften nach der Sächsischen Gemeindeordnung. Die Ortschaften wurden durch die Hauptsatzung der Stadt Plauen eingeführt und haben je einen von der Bevölkerung gewählten Ortschaftsrat, der nach der Einwohnerzahl zwischen fünf und neun Mitglieder hat. Vorsitzender des Ortschaftsrats ist der Ortsvorsteher. In den Ortschaften wurde zum Teil auch eine eigene Ortschaftsverwaltung eingesetzt.

Nachstehend sind die fünf Stadtgebiete mit ihren Stadtteilen und deren Nummern aufgeführt

Plauen grenzt an acht Gemeinden. Sieben davon gehören zum Vogtlandkreis in Sachsen und eine zum Landkreis Greiz in Thüringen. Im Einzelnen sind dies (im Uhrzeigersinn, beginnend mit der thüringischen Gemeinde im Norden): Greiz, Pöhl, Neuensalz, Theuma, Tirpersdorf, Oelsnitz/Vogtl., Weischlitz und Rosenbach/Vogtl. Im Ballungsraum Plauen leben etwa 75.000 Menschen.