Die Stadt Mühlheim am Main liegt im Rhein-Main-Gebiet südlich des Mains zwischen den Städten Offenbach und Hanau
Auf Mühlheimer Gemarkungsgebiet mündet die Bieber in die Rodau und anschließend in den Main.
Die Stadt besteht aus den drei Stadtteilen Mühlheim, Dietesheim (eingemeindet seit 1. April 1939) und Lämmerspiel (eingemeindet seit 1. Januar 1977), sowie den Wohngebieten Markwald und Rothe Warte.
Mühlheim am Main liegt 103 Meter über NN und grenzt im Norden an die Stadt Maintal (Main-Kinzig-Kreis), im Osten an die Stadt Hanau (Main-Kinzig-Kreis), im Süden an die Stadt Obertshausen (Landkreis Offenbach) und im Westen an die kreisfreie Stadt Offenbach.
Mit dem Fahrrad empfiehlt es sich, die Dietesheimer Steinbrüche, die Mainauen, den Seerosenweiher oder den Mühlenwanderweg zu erkunden.