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Würzburg liegt umgeben von Spessart, Rhön und Steigerwald im sogenannten Maindreieck in einem Talkessel im mittleren Maintal. Durch den westlichen Teil der Stadt fließt der Main, das bedeutendste Fließgewässer der Region. Seine Hanglage, die klimatischen Verhältnisse sowie andere Standortfaktoren machen Würzburg zu einem renommierten Weinbaugebiet. Drei der fünfzehn größten deutschen Weingüter sind in Würzburg beheimatet. Durch seine verkehrsgünstige Lage ist Würzburg ein beliebter Treffpunkt für viele Veranstaltungen. Mit der Bahn ist man im Idealfall in annähernd vier Stunden in Berlin und nach Frankfurt am Main sind es 120 Kilometer.

Auf der Anhöhe einer Muschelkalkplatte, dem Marienberg, steht eines der berühmten Wahrzeichen Würzburgs, die Festung Marienberg. Auf dem benachbarten Nikolausberg, nahe der Frankenwarte, liegt mit 360 m über NN der höchste Punkt Würzburgs. Die tiefsten Punkte Würzburgs befinden sich mit 166 m am Alten Kranen und am Neuen Hafen.

Das Stadtgebiet ist in 13 Stadtbezirke eingeteilt. Bis zur Aufhebung der Festungseigenschaft für das rechtsmainische Würzburg am 26. September 1856 und linksmainisch 1867 bestand das bewohnte Würzburger Stadtgebiet im Wesentlichen nur aus dem Bereich innerhalb des Ringparks und dem linksmainischen Mainviertel. Dann durfte auch das vor der Stadtmauer anschließende Land besiedelt werden. Spätere größere Erweiterungen des Stadtgebiets waren die Eingemeindungen von Heidingsfeld (1930), Rottenbauer (1974), Oberdürrbach (1976), Unterdürrbach (1976), Lengfeld und Versbach. Die heutige Einteilung basiert auf der Neugliederung des Stadtgebiets im Rahmen der Bezirksreform von 1978.

Zwölf Städte und Gemeinden des Landkreises Würzburg grenzen an die Stadt Würzburg. Im Norden beginnend und dem Uhrzeigersinn folgend sind dies:

Veitshöchheim, Güntersleben, Rimpar, Estenfeld, Rottendorf, Gerbrunn, Randersacker, Winterhausen, Reichenberg, Höchberg und Zell am Main. Ein der Regierung von Unterfranken im Februar 1971 unterbreiteter Vorschlag der Stadt Würzburg, Randersacker, Reichenberg, Veitshöchheim und Zell im Rahmen der Gebietsreform einzugemeinden, wurde nicht umgesetzt.

Würzburg ist das Oberzentrum der Planungsregion Würzburg, zu der die kreisfreie Stadt Würzburg und die Landkreise Kitzingen, Main-Spessart und Würzburg gehören. Dem Oberzentrum Würzburg sind folgende Mittelzentren zugeordnet: Gemünden am Main, Kitzingen, Karlstadt, Lohr am Main, Marktheidenfeld, Ochsenfurt und Volkach.

Würzburg gehört zu Mainfranken, das im westlichen Bereich des fränkischen Schichtstufenlandes liegt. Das Schichtstufenland besteht aus Gesteinen aus der Trias (Keuper, Muschelkalk, Buntsandstein).

Im Bereich Würzburgs finden sich fast ausschließlich Gesteine des Muschelkalks, teilweise bedeckt mit quartären Ablagerungen (Löß, pleistozäne Schotter).

Neben dem Main, der als Fließgewässer I. Ordnung und Bundeswasserstraße klassifiziert ist, sowie der Pleichach (II. Ordnung) verlaufen auf dem Stadtgebiet von Würzburg noch der Dürrbach, der Fuchsstädter Bach (auch Heuchelbach genannt), die Kürnach, der Reichenberger Bach, der Kühbach, der Steinbach und der Zwischengemäuerbach als Fließgewässer III. Ordnung.

Der Wasserstand des Mains wird mit dem Messstab am Alten Kranen gemessen. Normalstände sind an der Ufermauer des Mains, Hochwasserstände am Mauerwerk des Gebäudes Alter Kranen angezeigt.

Extreme Hochwasserstände des 14. bis 19. Jahrhunderts sind am rechten Türpfosten des Eingangs zum Grafeneckart, dem seit 1316 als Rathaus fungierenden Gebäude, markiert: das Jahrtausendhochwasser am Magdalenentag dem 21. Juli 1342 (vom Fürstbischof Otto von Wolfskeel als göttliche Strafe für „böse“ Eide bei von ihm deshalb 1343 verbotene Spiele um Geld angesehen), weitere am 29. Februar 1784, am 27. Januar 1682 und am 30. März 1845.

Hochwasserstände des 20. Jahrhunderts, am 7. Februar 1909, 16. Januar 1920 und 25. Februar 1970 (Wasserpegel 670 cm) sind an der Mauer des Alten Kranens dokumentiert.

Die in einem häufig Inversionswetterlagen bedingenden und Schadstoffanreicherungen (Schwefeldioxid, Ozon, Ruß, Benzol und Stickstoffdioxid) begünstigenden Talkessel befindliche Stadt Würzburg liegt in der gemäßigten Klimazone und der Westwindzone. Das relativ trockene und gegenüber dem Umland wärmere Würzburger Klima eignet sich besonders gut für den Weinbau.
Die mittlere Temperatur beträgt im Januar −0,6 °C, im Juli 18,4 °C. Über das gesamte Jahr ergibt sich eine mittlere Temperatur von 9,2 °C. Die höchste je gemessene Temperatur suit 39,4 °C am 7. August 2015, die niedrigste gemessene Temperatur −24,0 °C am 10. Februar 1956.

Die Auswirkungen der globalen Erderwärmung sind auch in Würzburg messbar. Im Vergleich zur Messperiode 1961–1990 sind die Temperaturen deutlich angestiegen und es werden weniger Niederschläge gemessen. Im Frühling und Sommer werden deutlich mehr Sonnenstunden verzeichnet.

Im Jahr 1840 hatte Würzburg 26.814 Einwohner und 1880 waren es 50.000. Nach dem Deutschen Krieg erlebte die Stadt von 1867 und 1896 einen „Bauboom“, der zur Neuerrichtung von über 1300 Wohnhäusern führte. Während 1903 noch 79.547 Einwohner gezählt wurden, betrug 1904 die geschätzte Zahl der Einwohner dann 80.000. Mit 94.671 Einwohnern war Würzburg 1918 die viertgrößte Stadt im rechtsrheinischen Bayern. Von 1919 bis 1939 stieg die Einwohnerzahl infolge von Geburten- und Migrationsüberschüssen von etwa 86.500 auf 107.500 an. 1932/33 hatte die Einwohnerzahl erstmals die Grenze von 100.000 überschritten, wodurch Würzburg zur Großstadt wurde. Durch die Auswirkungen des Zweiten Weltkrieges verlor die Stadt zwischen 1939 (108.000 Einwohner) und 1945 (53.000 Einwohner) rund die Hälfte (55.000) ihrer Bewohner. Nachdem 1955 die Stadt zum zweiten Mal die 100.000-Einwohner-Grenze überschritten hatte, erreichte die Bevölkerungszahl 1957 wieder den Vorkriegsstand. Ende Dezember 2004 lebten in Würzburg nach Fortschreibung des Bayerischen Landesamtes für Statistik und Datenverarbeitung 133.539 Menschen mit Hauptwohnsitz. Das achievement der historische Höchststand. Durch den Zensus 2011 wurde die Einwohnerzahl stark nach unten auf 124.449 korrigiert, stieg danach etwas an und fiel 2020 erstmals seit sechs Jahren wieder ab auf rund 127.000 Einwohner.

Bei der Bevölkerungsentwicklung sind neben dem Aufbau und dem späteren Abzug der starken amerikanischen Garnison vor allem auch die umfangreichen Eingemeindungen der 1970er Jahre zu berücksichtigen (siehe Eingemeindungen). Würzburg in den Grenzen von 1939 (also mit Heidingsfeld), jedoch einschließlich des gesamten Stadtbezirks Steinbachtal, hatte am 31. Dezember 2013 nur noch 99.541 Einwohner (gemäß Stadtgliederung). Wobei es sich hier um die Melderegisterbasierte Einwohnerzahl einschließlich Zweitwohnsitz handelt. Die Amtliche Einwohnerzahl für dieses Gebiet liegt noch etwas unter diesem Wert.

Die folgende Übersicht zeigt die Einwohnerzahlen nach dem jeweiligen Gebietsstand. Bis 1833 handelt es sich meist um Schätzungen, danach um Volkszählungsergebnisse¹ oder amtliche Fortschreibungen der jeweiligen Statistischen Ämter beziehungsweise der Stadtverwaltung. Die Angaben beziehen sich ab 1843 auf die „ortsanwesende Bevölkerung“ (ohne Militär und Studenten), ab 1925 auf die Wohnbevölkerung und seit 1987 auf die „Bevölkerung am Ort der Hauptwohnung“. Vor 1843 wurde die Einwohnerzahl nach uneinheitlichen Erhebungsverfahren ermittelt.

Im Jahr 2010 hatte Würzburg mit 11.283 Ausländern aus diversen Herkunftsländern einen Ausländeranteil von 8,5 %. Der höchste Ausländeranteil ist im Stadtbezirk Altstadt mit 16,8 % verzeichnet, gefolgt von der Zellerau und dem Frauenland (beide 13,6 %) sowie Grombühl (12,0 %). Die meisten Ausländer kommen (Stand 2013) aus der Türkei (1237), Russland (840), Italien (756), Ukraine (678) und Rumänien (662).