Schwanheim liegt rund drei Kilometer nordwestlich der Kernstadt Bensheim im östlichen Hessischen Ried in der Nähe der Bergstraße auf einer Höhe zwischen 91 und 95 Metern über dem Meeresspiegel und gehört geologisch zum alten Neckar-Schwemmland. Die nächstgelegene Ortschaft ist das rund 200 Meter entfernte Fehlheim im Nordosten, von dem es nur durch den Mühl- und Mittelgraben und den die Ufer begleitenden Wiesenstreifen getrennt ist. Die Gemarkungsfläche beträgt 475 Hektar, davon sind 57 Hektar bewaldet. Im Westen grenzt die Gemarkung an den Jägersburger Wald.

Die Stadt liegt am östlichen Rande der Oberrheinebene an den Hängen des westlichen Odenwaldes an der Bergstraße. Die nächsten größeren Städte sind Darmstadt (etwa 22 km nördlich), Heidelberg (etwa 35 km südlich), Worms (etwa 18 km westlich) und Mannheim (etwa 32 km südwestlich). Die Kreisstadt Heppenheim liegt etwa 5 km südlich.

Durch Bensheim fließt die aus dem Lautertal aus östlicher Richtung kommende Lauter, die ab dem Rinnentor Winkelbach heißt. Im Süden der Stadt fließt der ebenfalls aus dem Odenwald (Meerbachtal mit Zell und Gronau) kommende Meerbach. Weitgehend kanalisiert und erst ab dem westlichen Stadtrand an der Oberfläche verläuft der von der Lauter abgezweigte Neue Graben. Im Nordwesten an der A5 befindet sich der durch den Autobahnbau entstandene 7,7 ha große Bensheimer Badesee, der heute der Naherholung dient.