Solothurn liegt auf 430 m ü. Meer am Jurasüdfuss. Die Stadt wird durch die Aare in einen nördlichen und südlichen Bereich geteilt. Zu den kleineren Bächen zählen der Brunngraben, der Brühlgraben, der Obach, der Dürrbach sowie der St. Katharinenbach. Nordöstlich des Gemeindegebiets mündet die Emme bei Emmenspitz in die Aare. Topographisch gesehen liegt die Solothurner Altstadt auf einer Endmoräne des Rhonegletschers aus der Würm-Kaltzeit, welche nach dem Abschmelzen des Gletschers bei Wangen an der Aare den Solothurnersee aufgestaut haben soll.

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