Weißenburg liegt in dem als Altmühlfranken bezeichneten Teil Westmittelfrankens, südlich von Nürnberg, nordwestlich von Ingolstadt, nördlich von Augsburg und südöstlich von Ansbach. Durch die Stadt fließt die Schwäbische Rezat, im Süden verläuft die Fossa Carolina. Andere Gewässer auf dem Gebiet der Stadt sind der Bösbach, der Weimersheimer Bach, der Hammerstadtgraben, der Kühlenbach und die Schambach. Rund vier Kilometer südlich von Weißenburg fließt die Altmühl vorbei. Sie wird durch die Europäische Hauptwasserscheide zwischen Weißenburg und Treuchtlingen nach Süden umgelenkt.

Die Stadt liegt im Naturpark Altmühltal und in der Weißenburger Bucht. Sie ist Namensgeber der Weißenburger Alb, neben der Eichstätter Alb der zweite südwestliche Teil der Fränkischen Alb. Während sich im Westen und Norden die breite Offenlandschaft des Albvorlandes mit Wiesen und Feldern befindet, liegt im Süden und Osten der Albtrauf mit den Erhebungen Wülzburger Berg mit der Wülzburg, Auf der Ebene, Schroppenwinkel und der Rohrberg. Weitere Berge sind der Eichelberg, die Steinplatte und der Steinberg.