La ville occupe un site exceptionnel classé au patrimoine mondial de l'UNESCO. Avec ses fortifications, elle se situe au sommet d'un rocher de grès aux bords escarpés, que contournent deux rivières, l'Alzette et la Pétrusse. La vieille ville est séparée de la nouvelle au sud par la profonde entaille du ravin de la Pétrusse que franchissent des ponts, tel le fameux pont Adolphe (1899-1903). Au nord, elle est reliée au plateau du Kirchberg par le pont Grande-Duchesse Charlotte (1964) qui enjambe l'Alzette. Trois des 24 quartiers occupent les vallées : Grund, Clausen et Pfaffenthal.