Złotoryja leży w południowo zachodniej Polsce. Miasto rozwinęło się nad prawym, stromym zboczem doliny Kaczawy. Obszar Złotoryi posiada duże różnice wysokości względnej. Najwyżej leżące zabudowania znajdują się w rejonie osiedla Nad Zalewem na wysokości 260 m n.p.m., a najniżej na brzegu Kaczawy 180 m n.p.m. Miasto leży na granicy dwóch krain geograficznych Niziny Śląskiej od północy i Sudetów od południa.
Okolice Złotoryi posiadają bardzo skomplikowaną budowę geologiczną, określaną jako mozaikowata. Procesy geologiczne trwające blisko pół miliarda lat przyczyniły się występowania między innymi złota, miedzi, bazaltów, żwirów, agatów. Złoto – najważniejszy czynnik miastotwórczy, występowało w polodowcowych żwirach, na niewielkiej głębokości, dzięki czemu jego wydobycie nie było trudne. Początkowo koncentracja kruszcu wynosiła 2-15 gramów na tonę. Złoto wydobywano również w twardych skałach takich jak łupki. Przykładem takiego wydobycia jest sztolnia pod górą Mikołaja. Opłacalne wydobycie złota trwało od początku XIII do końca XIV wieku. Obecnie średniowieczne wydobycie szacuje się na 24-48 kilogramów rocznie. Udoskonalenie szybów wiąże się w przybyciem w XIII wieku doświadczonych górników z Niemiec. Szyby miały okrągły kształt o średnicy nie przekraczającej kilku metrów, w późnym średniowieczu powstawały szyby o średnicy dochodzącej do 20 metrów. Urobek wyciągano wiadrami i kołowrotem, transportowano do płuczek, gdzie wodę doprowadzano za pomocą drewnianych rur, koryt i rowów.
Klimat Złotoryi ze względu na jej położenie na granicy dwóch różnych krain geograficznych, różni się trochę od klimatów pobliskich miejscowości jak Legnica, Chojnów, czy Świerzawa. W Złotoryi dochodzi jakby do połączenia klimatu Sudetów z klimatem Niziny Śląskiej. Średnia roczna temperatura wynosi około 7,5ºC, Okres wegetacyjny wynosi 30 tygodni. Silne opady latem i wczesną jesienią są częstą przyczyną powodzi. Wezbrania Kaczawy powodowane są także przez topnienie pokrywy śnieżnej wczesną wiosną.
