Wełnowiec-Józefowiec położony jest w południowej części Wyżyny Śląskiej, w mezoregionie Wyżyna Katowicka (341.13). Obszar tej dzielnicy charakteryzuje się stosunkowo dużym zróżnicowaniem pod względem rzeźby terenu. Najwyżej położony punkt znajduje się na granicy Katowic i Siemianowic Śląskich, na wysokości Stacji Linii Radiowych Bytków – sięga on wysokości 316 m n.p.m. Z tego miejsca obszar opada w kierunku południowym, wzdłuż alei W. Korfantego i ulicy Józefowskiej. Powyżej 300 m n.p.m. położone są również rejony kolonii Agnieszki, część Parku Wełnowieckiego oraz pętla tramwajowa w pobliżu placu Alfreda. Najniżej położony punkt (około 270 m n.p.m.) znajduje się na granicy Wełnowca-Józefowca i Dębu na wysokości ulicy Józefowskiej. Różnica wysokości pomiędzy najniższym a najwyższym punktem Wełnowca-Józefowca sięga 45 metrów.
Pod względem geomorfologicznym cały obszar Wełnowca-Józefowca położony jest na Wzgórzach Chorzowskich, będących częścią Płaskowyżu Bytomskiego. Wzgórza te tworzą szereg falistych, zaokrąglonych lub spłaszczonych wzniesień.