Die Stadt Sursee liegt an einem geografischen Knotenpunkt am nordwestlichen Ende des Sempachersees

Der Ortsname Sursee setzt sich aus den Begriffen Sure und See zusammen. Die Sure (im Aargau Suhre) fliesst in einem gekrümmten Lauf durch das Städtchen und fliesst dann gegen Norden durch den Surseerwald ab. Im Sempachersee liegt eine auf Gemeindegebiet gelegene, kleine naturgeschützte Insel (Gamma Insel). Sursee besitzt eine Quaianlage am Triechter genannten Seebecken mit Blick auf die Alpen. Das restliche Seeufer ist geschützt und trägt den Namen Zellmoos. Das Gemeindegebiet liegt zwischen dem Viereck Sempachersee, Autobahn A2, Surseerwald (im Nordwesten) und der Bahnlinie Luzern–Olten. Die Gebiete Allmend nördlich der A2 und einige Strassen westlich der Bahnlinie bilden die Ausnahme.

Knapp ein Fünftel ist von Wald bedeckt (Surseerwald) und rund ein Drittel (30,8 %) wird landwirtschaftlich genutzt. Beinahe die Hälfte des Gemeindegebietes ist Siedlungsfläche (46,7 %). Die Stadt ist aufgeteilt in die Quartiere Altstadt, Eisenbahn Vorstadt, Mariazell und Neufeld.

Sursee grenzt an Geuensee, Knutwil, Mauensee, Oberkirch und Schenkon. Mit den Gemeinden Oberkirch, Schenkon und Mauensee bildet Sursee einen zusammenhängenden Siedlungsraum mit rund 15'000 Einwohnern.