Delitzsch liegt an der sächsischen Nordgrenze zu Sachsen-Anhalt auf einer Höhe von 94 m ü. NN. Die Stadt bildet als Mittelzentrum im ländlichen Raum sowohl den nordwestlichsten Rand des Landkreises Nordsachsen als auch der Leipziger Tieflandsbucht.
Sie liegt südlich des Bitterfelder Bergbaureviers, nördlich des Leipziger Landes und südwestlich der Dübener Heide. Das nördliche und südliche Stadtgebiet ist von rekultivierten und renaturierten Gebieten, welche aus ehemaligen Tagebauen entstanden, geprägt. So befindet sich nördlich mit dem Neuhäuser, Paupitzscher und Seelhausener See sowie südlich mit dem Werbeliner und Schladitzer See eine ausgeprägte Seenlandschaft, die teilweise unter Naturschutz steht und sowohl zum Mitteldeutschen Seenland als auch zur Seenlandschaft Goitzsche gehört.