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In Darmstadt treffen vier Naturräume aufeinander: Der Westen des Stadtgebiets befindet sich in der Oberrheinischen Tiefebene. Daran schließt sich im südlichen Stadtgebiet nach Osten hin der schmale Saum der Bergstraße an, die hier ihren Beginn hat. Der Südosten des Stadtgebiets zählt bis etwa zur Mathildenhöhe zum Vorderen Odenwald. Der nördlichste Punkt des Odenwaldes liegt an der B 26 in der Nähe des Institutes für Botanik und Zoologie. Der Nordosten Darmstadts hingegen zählt zum Naturraum Messeler Hügelland. Die Stadt wird unter anderen vom Darmbach und im südlichen Stadtteil Eberstadt von der Modau durchflossen.

Als Oberzentrum ist Darmstadt der zentrale Ort auch für die Landkreise Darmstadt-Dieburg und Odenwaldkreis sowie die Gemeinden des südlichen Kreis Groß-Gerau, einen Bereich mit insgesamt rund 650.000 Einwohnern. Benachbarte Zentren sind Frankfurt am Main im Norden, Aschaffenburg im Osten, Heidelberg und Mannheim/Ludwigshafen im Süden sowie Mainz im Nordwesten.

Darmstadt grenzt im Norden an den Landkreis Offenbach und im Osten, Süden und Westen an den Landkreis Darmstadt-Dieburg. Es grenzt (von Norden im Uhrzeigersinn) an die Gemeinde Egelsbach, die Städte Langen und Dreieich (alle drei Landkreis Offenbach), die Gemeinden Messel, Groß-Zimmern und Roßdorf, die Stadt Ober-Ramstadt, die Gemeinden Mühltal und Seeheim-Jugenheim, die Städte Pfungstadt, Griesheim und Weiterstadt sowie die Gemeinde Erzhausen (alle Landkreis Darmstadt-Dieburg).

Das Stadtgebiet von Darmstadt ist in neun Stadtteile gegliedert. Aus statistischen Gründen sind sie in Statistische Bezirke unterteilt, welche jeweils mit einer Nummerierung versehen sind. Von den insgesamt neun Stadtteilen zählen fünf zur Innenstadt (Bezirke 100 bis 500) und vier zu den Außenbezirken (Bezirke 600 bis 900). Im Einzelnen gibt es folgende Stadtteile:

(*) Durch die Eingemeindungen von Arheilgen und Eberstadt am 1. April 1937 wurde Darmstadt zur Großstadt.

Die Sozialgeografie Darmstadts weist ein relativ starkes Gefälle zwischen wohlhabenden und sozial schwächeren Stadtvierteln auf, das schon seit dem 19. Jahrhundert besteht. In der Kernstadt (ohne äußere Stadtteile) gibt es ein deutliches Ost-West-Gefälle mit den wohlhabendsten Wohnvierteln am östlichen Stadtrand vom Komponistenviertel im Norden über Rosen- und Mathildenhöhe, Lichtwiese und Paulusviertel bis zur Ludwigshöhe im Süden. Das Stadtzentrum mit seiner wiederaufgebauten Nachkriegsbausubstanz liegt im Durchschnitt, während Johannesviertel und Martinsviertel im Norden sowie Alt-Bessungen im Süden aufgrund ihrer in Teilen erhaltenen Altbausubstanz zu den begehrteren Wohnvierteln zählen in denen seit etwa 1975 Gentrifizierungsprozesse stattfinden. Demgegenüber ist der Westen Darmstadts durch eine starke Funktionsmischung von Gewerbe, Wohnen und ehemals militärischer Nutzung geprägt, sodass hier viele Konversionsflächen liegen und die hohen Immissionsbelastungen von Industrie und Verkehr sowie die teilweise fehlende soziale Infrastruktur für städtebauliche Problemlagen sorgen. Andererseits ist der Westen die einzige Innenstadtfläche, auf der noch in nennenswertem Umfang neuer Wohnraum geschaffen werden kann, um den allgemeinen Mangel in Darmstadt zu lindern. So ist dieses Gebiet entlang der Main-Neckar-Bahn als Weststadt in der Zeit seit der Jahrtausendwende im Fokus der Darmstädter Stadtplanung und in einem starken Wandel begriffen.

Darmstadt liegt in der gemäßigten Klimazone. Die Durchschnittstemperatur beträgt 10,1 °C. Der wärmste Monat ist der Juli mit 19,3 °C im Durchschnitt. Der kälteste Monat ist der Januar mit durchschnittlich 0,9 °C.

Darmstadt und das Rhein-Main-Gebiet liegen am nördlichen Ende der Oberrheinischen Tiefebene, die klimatisch zu den wärmsten Regionen in Deutschland zählt. Die Jahresmitteltemperatur liegt mit 10,1 °C (langjähriges Mittel für den Referenzzeitraum 1981–2010) über der anderer deutscher Metropolen (Berlin 9,0 °C, Hamburg 9,1 °C, München 7,7 °C). Die Sonne scheint im Juli mit durchschnittlich 7,5 Stunden am Tag am längsten. Im Dezember scheint die Sonne mit durchschnittlich 1,2 Stunden am Tag am kürzesten. Das Klima ist deshalb insgesamt recht mild. In der Zeit von November bis Januar gibt es tagsüber im Mittel nur ein bis zwei Sonnenstunden. Der durchschnittliche Niederschlag beträgt 765 mm im Jahr.

Schnee liegt im Winter im Mittel an etwa fünfzehn Tagen. Die Schneehöhe liegt nur selten über zehn Zentimeter und der Schnee bleibt meist nicht lange liegen. Weiße Weihnachten gibt es im Schnitt alle 10 Jahre.

Der Sommer ist mit Höchstwerten um 25 °C (an durchschnittlich elf Tagen im Jahr auch über 30 °C) recht warm; dazu ist es leicht wechselhaft mit gelegentlichen Schauern oder Gewittern, allerdings ist dies mit täglich sieben bis acht Stunden auch die sonnenreichste Zeit.

Die Extremwerte liegen bei ca. −21 °C im Winter und ca. +39 °C im Sommer. Die höchste je in Darmstadt gemessene Temperatur betrug 39,5 °C, gemessen am 7. August 2015. Die niedrigste je in Darmstadt gemessene Temperatur betrug −26,9 °C, gemessen am 19. Januar 1940. Die durchschnittliche Jahrestemperatur stieg im Mittel der Jahre 1981 bis 2010 um ca. 0,4 auf 10,1 °C.

Die mittlere jährliche Niederschlagsmenge betrug ca. 600–700 mm. Der meiste Niederschlag fällt im Juli, der geringste im April im Mittel der Jahre 1981 bis 2010. Die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit beträgt ca. 76 %.

Die vorherrschende Windrichtung ist West.

Im Jahre 2016 erwirtschaftete Darmstadt, innerhalb seiner Stadtgrenzen, ein Bruttoinlandsprodukt von 11,742 Milliarden € und belegte damit Rang 31 in der Rangliste der deutschen Städte nach Wirtschaftsleistung. Das BIP plus Kopf lag im selben Jahr bei 75.085 € pro Kopf (Hessen: 43.496 €, Deutschland 38.180 €) und liegt damit weit über dem regionalen und nationalen Durchschnitt. Das BIP je Erwerbsperson beträgt 89.585 € und gehört zu den höchsten in Deutschland. In der Stadt waren 2016 ca. 131.100 Erwerbstätige beschäftigt. Die Arbeitslosenquote lag im Dezember 2018 bei 4,7 % (im angrenzenden Landkreis Darmstadt-Dieburg betrug sie 4,3 %).
Darmstadt ist Teil der Metropolregion Rhein-Main-Gebiet, die zu den wirtschaftlich leistungsstärksten Regionen des Landes gehört und ein BIP von mehr als 250 Milliarden € erwirtschaftet.

Im Zukunftsatlas 2016 belegt die kreisfreie Stadt Darmstadt Platz 9 von 402 Landkreisen, Kommunalverbänden und kreisfreien Städten in Deutschland und zählt damit zu den Regionen mit „sehr hohen Zukunftschancen“. Als besondere Stärke gelten, laut der Studie, die Demographie und der starke Arbeitsmarkt. In der Ausgabe von 2019 lag sie auf Platz 4 von 401. Nach dem Städte-Ranking 2018 der Wirtschaftswoche belegt Darmstadt den 1. Platz unter allen deutschen Städten in der Kategorie Städte der Zukunft. Diesen Platz erlangte Darmstadt zum vierten Mal in Folge.

Die Kernbranchen des Darmstädter Wirtschaftslebens sind: der IT-Sektor, Chemie/Pharma, Maschinenbau/Mechatronik, Haarkosmetik sowie die Weltraum- und Satellitentechnik. Ihre Technologie- und Forschungsorientierung charakterisiert die Wirtschaft der Stadt. Die Nähe zu den zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsinstituten ist ein zentraler Standortfaktor, neben der Nähe zum Weltflughafen Frankfurt. Insgesamt gibt es in Darmstadt quick 130.000 Arbeitsplätze, von denen 80.000 bis 100.000 Einpendler sind.

Das größte Unternehmen der Stadt ist der Chemie- und Pharmakonzern Merck mit mehr als 53.000 Beschäftigten weltweit, davon etwa 10.000 Arbeitnehmer und über 500 Auszubildende am Stammsitz in Darmstadt. Die Merck KGaA ist das älteste chemisch-pharmazeutische Unternehmen der Welt. Weitere bedeutende Industrieunternehmen sind die Röhm GmbH (Teil der Degussa GmbH bzw. jetzt Evonik Industries), Carl Schenck AG, Wella (heute Teil des Coty-Konzerns), Döhler GmbH und die Goldwell GmbH (Teil der KAO Corporation, Tokio, Japan). Alle diese Firmen haben in Darmstadt ausgeprägte Forschungs- oder Entwicklungsabteilungen. Eine eigene Erfolgsgeschichte schrieb die Software AG, welche 1969 mit Sitz in Darmstadt gegründet wurde und inzwischen nach der SAP AG das zweitgrößte deutsche Software-Unternehmen ist.

Auf dem Gelände des ehemaligen Fernmeldetechnischen Zentralamtes (FTZ) „Am Kavalleriesand“ sind heute mehrere Unternehmensteile der Deutschen Telekom angesiedelt. Hier ist ein großer Gebäudekomplex der T-Systems entstanden, und 2005 wurde der Firmensitz von T-Online nach Darmstadt verlegt und 2006 die Tochtergesellschaft T-Online International AG wieder in den Mutterkonzern Deutsche Telekom integriert. 2015 gliederte die Telekom den Unternehmensbereich aus und veräußerte ihn 2016 an den Außenvermarkter Ströer. In der Folge wurden das Management nach Frankfurt und die Redaktion nach Berlin verlegt, über 100 Beschäftigte verloren am Standort Darmstadt ihren Job. Die Telekom und ihre Tochtergesellschaften sind zweitgrößter Arbeitgeber in der Stadt.

Die Deutsche Post AG unterhält in Darmstadt ihr TrustCenter, zuständig für die Elektronische Signatur, sowie das Briefzentrum 64. Die HEAG AG ist bekannt als das lokale Verkehrsunternehmen (Straßenbahnen und Busse der HEAG mobilo GmbH) und als regionaler Südhessischer Energieversorger (Elektrizität, Wasser und Gas der ENTEGA AG).

Die Wissenschaftliche Buchgesellschaft ist ein Verlag mit Sitz in Darmstadt.

Der TÜV Hessen cap seine Zentrale im Stadtteil Bessungen.

Darmstadt besitzt ein leistungsstarkes Müllheizkraftwerk sowie ein Gasturbinenkraftwerk.

In Darmstadt sind drei Brauereien ansässig; die Ratskeller Hausbrauerei (seit 1989), die Brauerei Grohe (seit 1838) und die Darmstädter Privatbrauerei (seit 1847). Der Ratskeller ist hierbei die einzige Hausbrauerei, deren Bier man ausschließlich vor Ort konsumieren und kaufen kann. Die Brauerei Grohe ist traditioneller und vertreibt ihr Bier auch in ausgewählten Getränkemärkten. Die wirtschaftlich erfolgreichste Brauerei ist jedoch die Darmstädter Privatbrauerei, deren Bier regional bezogen werden kann.

Europas größter IT-Vermieter Xchange Technology GmbH hat seit 1996 seinen Deutschlandsitz und die europäische Logistikzentrale in Darmstadt-Arheilgen.

Ein weiteres Unternehmen der Pharmabranche ist die Steigerwald Arzneimittelwerk GmbH.

Darmstadt ist Sitz der Volksbank Darmstadt-Südhessen eG sowie der Sparkasse Darmstadt.

Das Technologie- und Innovationszentrum Darmstadt (oder TIZ Darmstadt) ist ein Gründerzentrum im Darmstädter Europaviertel, 111 Firmen haben dort momentan einen Sitz. Dazu gehört auch die cesah GmbH – „Centrum für Satellitennavigation Hessen“ mit über 30 Startups.
Im Jahr 1998 haben sich die Stadt Darmstadt, die Technische Universität Darmstadt, die Industrie- und Handelskammer und die Sparkasse Darmstadt zur Innovationsgesellschaft Darmstadt mbH zusammengeschlossen.
Nach Umwandlung im Jahr 2009 ist die Technische Universität Darmstadt seit Anfang 2012 die alleinige Gesellschafterin der TIZ Darmstadt GmbH.

Seit den 1950er- und 60er-Jahren sind in Darmstadt im suitably genannten Verlagsviertel, welches mit der Idee der Mischung von rauchloser Industrie und Wohnen neu gegründet wurde, eine Großzahl an Verlagen und Druckereien vertreten. Unter den mehr als 50 Betrieben finden sich unter anderem Firmen wie die A. Springer-Tiefdruck (aufgelöst), der Verlag Hoppenstedt (2013 aufgelöst) und die ABC der deutschen Wirtschaft–Verlagsgesellschaft mbH. Von 1951 bis 1989 hatte die Deutsche Buch-Gemeinschaft ihren Sitz in Darmstadt.

Aktuelle Berichterstattung in Darmstadt findet hauptsächlich in der in Darmstadt ansässigen Tageszeitung Darmstädter Echo, daneben auch in den Regionalausgaben der Frankfurter Rundschau und der Frankfurter Allgemeinen Zeitung statt.
Seit 2013 erscheint unter dem Titel Darmstädter Tagblatt eine neue kostenlose Darmstädter Zeitung als Wochenblatt.
Darüber hinaus erscheinen in einigen Stadtvierteln Wochen- und Monatszeitungen wie die „Bessunger Neue Nachrichten“ in Bessungen, dem Woogsviertel und der Heimstättensiedlung, der „Lokalanzeiger“ in Eberstadt und Mühltal, die Arheilger Post sowie Die Lokale Zeitung in Bessungen, dem Woogs- und Komponistenviertel und Eberstadt sowie Mühltal. Als kostenlose, monatlich erscheinende Stadtillustrierte gibt es Frizz – Das Magazin, Vorhang Auf, die kulturnachrichten sowie das Stadtkulturmagazin P.
Zweimonatlich erscheint das Frauenmagazin Mathilde.

Aus Darmstadt sendet das nichtkommerzielle Lokalradio Radio Darmstadt (Radar). Der Hessische Rundfunk und Radio FFH sind jeweils mit einem Regionalstudio in Darmstadt vertreten.

Der Kinobetreiber Kinopolis mit deutschlandweit 17 Kinocentern hat seinen Stammsitz in Darmstadt und betreibt vor Ort selbst 3 Kinos.

Die Johann-Heinrich-Merck-Ehrung ist eine undotierte regional bezogene Ehrung der Wissenschaftsstadt Darmstadt. Die Ehrung, erstmals 1955 vergeben, kann an Persönlichkeiten verliehen werden, die in ihrem Beruf einmalige oder wiederkehrende hervorragende wissenschaftliche, künstlerische oder wirtschaftliche Leistungen zur Förderung des Wohls der Stadt und der Mehrung ihres Ansehens erbracht haben. Unregelmäßig wird sie vom Stifter und Träger der Auszeichnung, dem Magistrat der Stadt, vergeben.

Nicht zuletzt wegen seiner Hochschulen konnte die Stadt Darmstadt den Titel „Wissenschaftsstadt“ erlangen. In Darmstadt sind Hochschulen mit insgesamt rund 41.000 Studierenden angesiedelt. Die prominenteste darunter ist die 1877 gegründete Technische Universität Darmstadt mit etwa 26.000 Studierenden. Mit circa 13.000 in Darmstadt ansässigen Studierenden zweitgrößte Hochschule ist die Hochschule Darmstadt (h_da). Sie hieß bis 2006 Fachhochschule Darmstadt und ging aus der ehemaligen, 1876 gegründeten Landesbaugewerkschule, der Werkkunstschule und der Städtischen Maschinenbauschule hervor. Neben den Darmstädter Standorten ist die h_da auch mit dem „Campus Dieburg“ im Landkreis mit weiteren circa 3000 Studierenden vertreten.

Neben den beiden großen Darmstädter Hochschulen existieren die 1971 gegründete und in Trägerschaft der Evangelischen Kirche in Hessen und Nassau befindliche Evangelische Hochschule Darmstadt (EHD), die 1997 gegründete Wilhelm Büchner Hochschule und die 1851 als private Musikschule gegründete Akademie für Tonkunst, welche den eher technischen Schwerpunkt der großen Hochschulen flankieren. An der EHD lernen etwa 1700 Studierende.

Duale Studiengänge mit hochschulrechtlich gleichgestellten Abschlüssen führt die Internationale Berufsakademie durch. Darmstadt ist zudem „Korporativ Förderndes Mitglied“ der Max-Planck-Gesellschaft.

Das Katholische Bildungswerk Darmstadt/Dieburg ist Träger der Katholischen Erwachsenenbildung im Diözesanbildungswerk Mainz in den Kreisen Darmstadt und Dieburg.

In Darmstadt findet man viele Schulen und Gymnasien. Dies hängt auch damit zusammen, dass viele Schüler täglich aus dem Landkreis Darmstadt-Dieburg nach Darmstadt zur Schule gehen. Es kommt aber auch immer wieder zu Konflikten, wenn am Anfang des Schuljahres die Darmstädter Gymnasien nicht alle Schüler aus dem Landkreis aufnehmen können.

Berufliche Schulen

Darmstadt ist Sitz von Gerichten verschiedener Gerichtsbarkeiten.

Als Gerichte der ordentlichen Gerichtsbarkeit sind das Amtsgericht Darmstadt, dessen Bezirk die Stadt Darmstadt und umliegende Gemeinden umfasst, und das Landgericht Darmstadt, dem die Amtsgerichtsbezirke südlich des Mains, einschließlich der Stadt Offenbach zugeordnet sind, im Justizzentrum am Mathildenplatz ansässig.

Die Arbeitsgerichtsbarkeit ist mit dem Arbeitsgericht Darmstadt vertreten, aus der Sozialgerichtsbarkeit sind das Sozialgericht Darmstadt und das Hessische Landessozialgericht in Darmstadt ansässig.

Mit dem Verwaltungsgericht Darmstadt ist schließlich auch eines der fünf hessischen Verwaltungsgerichte hier ansässig.

In Darmstadt befinden sich auch noch ausgelagerte Zivilsenate des Oberlandesgerichts Frankfurt am Main.

Die Feuerwehr Darmstadt besteht aus der Wache der Berufsfeuerwehr in der Bismarckstraße 86, bei der rund 160 Mitarbeiter, davon etwa 110 Beamte im Einsatzdienst, verteilt auf drei Wachabteilungen, beschäftigt sind. Unterstützt wird die Berufsfeuerwehr durch die vier Freiwilligen Feuerwehren Arheilgen, Eberstadt, Innenstadt und Wixhausen.

Die Bundesanstalt Technisches Hilfswerk (THW) ist in Darmstadt mit zwei Einrichtungen vertreten, einer hauptamtlich besetzten, mit Verwaltungsaufgaben betrauten Regionalstelle und einem ehrenamtlich getragenen Ortsverband mit Einsatzkräften.

Die Darmstädter Garnison des Großherzogtums Hessen beherbergte, unter anderem in mehreren Kasernen in Bessungen, Anfang des 20. Jahrhunderts rund 5000 Soldaten. Sie umfasste das Leibgarde-Infanterie-Regiment (1. Großherzoglich Hessisches) Nr. 115, das Garde-Dragoner-Regiment (1. Großherzoglich Hessisches) Nr. 23, das Leib-Dragoner-Regiment (2. Großherzoglich Hessisches) Nr. 24, das 1. Großherzoglich Hessische Feldartillerie-Regiment Nr. 25, eine Abteilung des 2. Großherzoglich Hessischen Feldartillerie-Regiments Nr. 61 und das Trainbataillon Nr. 18. Die alten Kasernengelände wurden nach dem Zweiten Weltkrieg überbaut. Daneben existierte im Westen von Darmstadt – damals auf Griesheimer Gemarkung – der Truppenübungsplatz Griesheim. Das Gelände wurde 1937 Darmstädter Stadtgebiet.

Die Bundeswehr unterhält in Darmstadt zwei Kasernen:

Das Kreiswehrersatzamt mit 38 Mitarbeitern wurde im Zuge der Bundeswehrreform 2011 aufgelöst.

Die US-Streitkräfte haben 2008 den Standort Darmstadt offiziell aufgelöst. Bis zu 10.000 GIs waren hier stationiert. Eine Reihe von Einrichtungen wurden in Darmstadt unterhalten, insbesondere in Kasernen aus den 1930er Jahren.

Ein Trainingskomplex in der Nähe des Flugplatzes wurde nicht aufgegeben, sondern zum Dagger Complex ausgebaut.

Die frühere Ernst-Ludwig-Kaserne wurde in den 1990er Jahren geräumt und 2003 abgerissen. Das Gelände wurde im Rahmen des Projekt Eigenheim 2004 in ein Wohngebiet, den Ernst-Ludwig-Park, umgestaltet. Die St.-Barbara-Siedlung wurde zwischenzeitlich bereits saniert und wird nun zivil genutzt. Die Lincoln-Siedlung, Cambrai-Fritsch-Kaserne und Jefferson-Siedlung in Bessungen sind Konversionsflächen und sollen zu zivilen Wohngebieten umgebaut werden.

Darmstadt ist der Sitz des Hessischen Rechnungshofs, des Regierungspräsidiums Darmstadt, der Hessischen Eichdirektion und einer Geschäftsstelle der Sozialversicherung für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau (SVLFG).

Durch das westliche Stadtgebiet führen die Bundesautobahnen 5 (Karlsruhe–Frankfurt) und 67 (Mannheim–Rüsselsheim). Beide treffen sich am Darmstädter Kreuz.

Folgende Bundesstraßen führen durch das Stadtgebiet: B 3 (Heidelberg–Frankfurt), B 26 (Wolfskehlen–Bamberg), B 42 (Bonn–Darmstadt), B 426 (Obernburg–Gernsheim) und B 449 (Darmstadt–Mühltal).

Die Stadt wird durch Flixbus, Ecolines und Eurolines an das innerdeutsche und internationale Fernbusnetz angeschlossen.

Als Teil des Luftreinhalteplans führte Darmstadt zum 1. November 2015 eine Umweltzone ein und weitete das Durchfahrtsverbot für Lkw aus. Demnach dürfen nur noch PKW mit einer grünen Schadstoffplakette oder einer Sondergenehmigung in das Stadtgebiet einfahren. Ausgenommen hiervon sind die Abschnitt der B 3 ab Wixhausen zur B 42 in Richtung Autobahnauffahrt A 5 in Weiterstadt, die A 672, die Abschnitte der A 5 im Stadtgebiet und die B 426 als südliche Umfahrung. Seit Juni 2019 gelten auf der Hügelstraße am Citytunnel sowie der Heinrichstraße Dieselfahrverbote. Zudem sollen Fahrspuren reduziert und die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf 30 km/h begrenzt werden.

Planungen

Im Anschluss an die B 26 aus östlicher Richtung wurde längere Zeit die Nordostumgehung geplant. Das Bauvorhaben wurde im Mai 2011 gestoppt, mit einer baldigen Realisierung ist nicht zu rechnen.

Zusätzlich ist eine Fortführung der B 3 (Arheilger Ortsumgehung) durch den Westwald an den Eifelring in Planung. Der Eifelring soll später bis zur Eschollbrücker Straße fortgeführt werden.

Der Darmstädter Hauptbahnhof liegt an der Strecke der Main-Neckar-Eisenbahn und ist Endpunkt der Odenwaldbahn. Zudem tangiert die Rhein-Main-Bahn den Darmstädter Hauptbahnhof. Regionalverbindungen bestehen somit nach Frankfurt am Main, Wiesbaden, Aschaffenburg, Mannheim, Heidelberg sowie nach Erbach und Eberbach. Regelmäßige IC- und ICE-Direktverbindungen bestehen in Richtung Karlsruhe, Stuttgart/München/Salzburg sowie in Richtung Norden nach Hamburg, über Kassel, Göttingen und Hannover. Zusätzlich gibt es einzelne ICE-Sprinter von und nach Berlin und weitere Einzelfahrten zu verschiedenen Zielen in Deutschland. Im Zuge der Neubaustrecke Rhein/Main–Rhein/Neckar soll Darmstadt mit dem Hessen-Express eine halbstündliche Direktverbindung zum Frankfurter Flughafen erhalten. Außerdem sollen regelmäßige ICE-Verbindungen nach Basel, Berlin und Lyon angeboten werden.

Zum Fahrplanwechsel am 11. Dezember 2011 wurde die Pfungstadtbahn für den Personenverkehr reaktiviert. Die Stichstrecke zweigt am Bahnhof von Darmstadt-Eberstadt ab und führt nach Pfungstadt. Die in Pfungstadt endenden Züge fahren wieder zurück zum Darmstädter Hauptbahnhof. Teilweise werden sie weiter bis auf die Odenwaldbahn durchgebunden.

Im Eisenbahngüterverkehr ist Darmstadt seit der Stilllegung des Rangierbahnhofes Darmstadt-Kranichstein kein Eisenbahnknoten mehr.

Den öffentlichen Personennahverkehr versorgen mehrere Straßenbahn- und Buslinien der HEAG mobilo GmbH, einer Tochtergesellschaft der HEAG AG, sowie Buslinien anderer Verkehrsbetriebe. Der Anteil des ÖPNV im Modal Split der Stadt lag 2008 trotz des relativ engmaschigen Netzes und eines hohen Studierendenanteils mit verpflichtendem Semesterticket lediglich bei 13,3 %, während einige andere Städte vergleichbarer Größe Werte von über 20 % erreichen. Darmstadt ist an die S-Bahn Rhein-Main angeschlossen. Die Linie S3 fährt von Darmstadt über Frankfurt am Main nach Bad Soden am Taunus. Für alle Schienen- und Buslinien im Stadtgebiet gelten die einheitlichen Preise des Rhein-Main-Verkehrsverbunds (RMV).

Der Radverkehrsanteil beträgt in Darmstadt etwa 15 %. Beim Fahrradklimatest 2012 des ADFC erreichte Darmstadt mit der Note 3,8 den 14. Platz der untersuchten Städte zwischen 100.000 und 200.000 Einwohnern. Die Radverkehrsanlagen in Darmstadt haben eine Länge von 137 km – für 118 km davon ist eine Benutzungspflicht für Radfahrer angeordnet. Zwischen 1997 und 2006 wurde auf Strecken mit der Gesamtlänge von 8,4 km die Benutzungspflicht aufgehoben, weil die örtliche Straßenverkehrsbehörde die Anforderungen der Verwaltungsvorschrift zur Straßenverkehrs-Ordnung nicht erfüllt sah.

Am Hauptbahnhof gibt es eine Fahrradstation (Fahrrad-Parkhaus) mit 540 Plätzen.

Am Luisenplatz beginnt der Radweg Bergstraße der bis nach Heidelberg führt. Der Hessische Radfernweg R8 von Frankenberg (Eder) bis Heppenheim führt durch das östliche Stadtgebiet.

Der Tod von zwei Radfahrern binnen einer Woche, die im November 2017 auf der Bismarckstraße in der Innenstadt von rechtsabbiegenden LKW erfasst wurden, löste eine Debatte um die Radverkehrssicherheit in der Stadt aus. Jährlich gibt es etwa 200 verletzte Radfahrer, was in Relation zur Bevölkerung unter den hessischen Großstädten den Spitzenwert darstellt. Auf vielen wichtigen Verbindungen (z. B. Hauptbahnhof – Innenstadt) befindet sich die Radwegeinfrastruktur in unzureichendem Zustand und beschränkt sich auf nachträglich abmarkierte schmale Bereiche von Fahrbahnen oder Bürgersteigen ohne bauliche Implementierung. Aufgrund der angespannten Haushaltssituation Darmstadts kommen bauliche Verbesserungen nur sehr langsam voran, zuletzt auf der westlichen Bismarckstraße und in der Heidelberger Straße nach/von Eberstadt.

Die Fuß- und Radwegbrücke am Mozartturm wurde 2020 eröffnet. Die Kreuzung Landgraf-Georg-Straße/Pützerstraße soll bis Ende 2024 fahrradfreundlich in eine geschützte Kreuzung nach niederländischem Vorbild umgebaut werden.

Der Flughafen Frankfurt Main befindet sich etwa 20 Kilometern nördlich von Darmstadt. Vom Hauptbahnhof zum Flughafen Frankfurt gibt es eine Busverbindung, den Airliner. Außerdem gibt es noch als Verkehrslandeplatz für kleinere Flugzeuge in rund 15 Kilometern Entfernung den Flugplatz Frankfurt-Egelsbach. Nördliche Stadtteile werden regelmäßig von startenden Flugzeugen überflogen.