Mülheim, die „Stadt am Fluss“, stellt die Verbindung zwischen Düsseldorf und dem Ruhrgebiet her. Mühlheim grenzt im Norden an Oberhausen und in Osten an Essen. Im Süden liegt der Ballungsraum Düsseldorf und im Westen Duisburg.
Das gesamte Territorium der Stadt ist nur zu etwa 50 Prozent bebaut – der Rest ist Freifläche. Viele Grünflächen gibt es im Süden Mülheims, der als die grüne Lunge bezeichnet wird. Die dortigen Wald- und Grünflächen werden meist landwirtschaftlich genutzt.
Zwischen den Städten Mühlheim und Duisburg liegt die Huckinger Mark, die sich aus dem Broich Speldorfer Wald in Mülheim und dem Duisburger Stadtwald zusammensetzt und sich über 30 Quadratkilometern erstreckt. Mülheims größte innenstädtische Parkanlage ist der Witthäuserbusch, der bei Sportlern und Familien wegen seiner vielseitigen Nutzungsmöglichkeiten sehr beliebt ist.