Geografia thumb|left|Mapa Wilamowic thumb|left|Stawy Leżaje thumb|left|Mapa turystyczna Wilamowic z niektórymi nazwami miejscowymi w języku wilamowskim Zgodnie z podziałem na jednostki fizycznogeograficzne większa część obszaru miasta leży w mezoregionie Podgórze Wilamowickie. Północne peryferia znajdują się w mezoregionie Dolina Górnej Wisły, a południowe należą do Pogórza Śląskiego. Podgórze Wilamowickie i Dolina Górnej Wisły należą do makroregionu Kotlina Oświęcimska, natomiast Pogórze Śląskie jest częścią Pogórza Zachodniobeskidzkiego. Rzeźba terenu ma charakter wyżynny z wysokościami od 262 do 288 m n.p.m. Z kolei pod względem podziału historyczno-kulturowego Wilamowice zaliczane są do Małopolski, konkretnie do tzw. ziemi oświęcimskiej, która stanowi część ziemi krakowskiej.
Nie przepływa tu żadna większa rzeka, kilka niewielkich cieków wodnych zasila potoki Dankówka, Pisarzówka oraz bezpośrednio Sołę. Charakterystycznym elementem krajobrazu są natomiast stawy hodowlane skupione na północno-wschodnich (Leżaje) i południowo-zachodnich peryferiach miasta.