La Chaux-de-Fonds liegt auf 992 m ü. M., rund 15 km nordnordwestlich der Kantonshauptstadt Neuenburg (Luftlinie), nahe der Grenze zu Frankreich. Die Industriestadt erstreckt sich in einem breiten Hochtal ohne oberirdisches Fliessgewässer im Neuenburger Jura, zwischen den Höhen von Mont Sagne im Südosten und Pouillerel im Nordwesten.

Die Fläche des mit 55,7 km² grössten Gemeindegebiets des Kantons umfasst einen Abschnitt im Neuenburger Jura. Hauptsiedlungsgebiet bildet das durchschnittlich auf 1000 m ü. M. gelegene Hochtal von La Chaux-de-Fonds, eine Synklinale im Faltenjura, die gemäss der Streichrichtung des Juras in diesem Gebiet in Richtung Südwest-Nordost orientiert ist. Das Hochtal ist bis zu 1 km breit, etwa 7 km lang und senkt sich leicht gegen Nordosten. Die nordöstliche Fortsetzung des Hochtals stellt die Combe du Valanvron dar, ein tief in die Hochflächen eingeschnittenes Kerbtal. Durch dieses fliesst der Bach La Ronde, der im Cul des Prés versickert, weiter unten wieder zutage tritt und bei Biaufond in den Doubs mündet. Die nordöstliche Grenze von La Chaux-de-Fonds verläuft willkürlich mit dem Lineal gezogen im Bereich der Combe du Valanvron, während die südwestliche Abgrenzung etwa auf der topografischen Wasserscheide zwischen dem Hochtal von La Chaux-de-Fonds und dem Talkessel von Le Locle liegt.

Nordwestlich an dieses Hochtal schliesst der breite Höhenrücken des Pouillerel (1276 m ü. M.) an, dessen nordöstliche Fortsetzung die Sombaille (1186 m ü. M.) und die Plateaus von Les Bulles und Valanvron bilden. Dieser Höhenzug fällt steil zum mindestens 400 m tiefer gelegenen Talboden des Doubs ab. Entlang dem Fluss verläuft die nördliche Grenze des Gemeindeareals. Die steilen Talflanken (Côtes du Doubs) sind dicht bewaldet und teilweise mit Felsbändern durchzogen.

Nach Südosten erstreckt sich der Gemeindeboden auf die angrenzenden Höhen mit Mont Jacques (1138 m ü. M.), Mont Sagne (1215 m ü. M.), Cornu (1173 m ü. M.) und der Höhe von Cibourg (bis 1100 m ü. M.). Auf der zur Antiklinale des Tête de Ran gehörenden Roche aux Cros westlich des Passübergangs Vue des Alpes wird mit 1329 m ü. M. der höchste Punkt des Gemeindeareals erreicht. Auf den Jurahöhen gibt es ausgedehnte Weiden mit den charakteristischen, mächtigen Fichten, die entweder einzeln oder in Gruppen stehen. Östlich des Mont Sagne reicht das Gebiet bis in die Senke von Les Convers, dem obersten Teil des Vallon de Saint-Imier. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 16 % auf Siedlungen, 28 % auf Wald und Gehölze sowie 55 % auf Landwirtschaft; etwas weniger als 1 % war unproduktives Land.