Bergheim liegt circa 20 km Luftlinie westlich von Köln auf etwa 72 m ü. NHN. Die höchste Bergheimer Erhebung ist die mit Abraum des Braunkohle­abbaus aufgeschüttete Glessener Höhe mit 205,8 m ü. NHN. Zwischen dem Stadtzentrum und den nördlichen Stadtteilen erstrecken sich die Ausläufer des Villerückens. Durch Bergheim fließt die Erft. Die Stadt liegt in der Zülpicher Börde, die ihrerseits zur Kölner Bucht gehört. Wirtschaftsgeographisch liegt Bergheim im Rheinischen Braunkohlerevier. Bergheim ist die Kreisstadt des Rhein-Erft-Kreises in Nordrhein-Westfalen. Sie entstand 1975 als Folge des Köln-Gesetzes aus dem Zusammenschluss der Stadt Bergheim mit den Gemeinden Niederaußem, Oberaußem-Fortuna, Hüchelhoven, Quadrath-Ichendorf und Paffendorf sowie Teilen der heutigen Stadt Elsdorf und der Stadt Bedburg. 

Die Braunkohle entstand innerhalb des Tertiärs in einem Zeitraum von vor 25 bis vor etwa 5 Millionen Jahren. In dieser Zeit der Erdgeschichte befand sich am Nordrand des Rheinischen Schiefergebirges ein Sedimentationsraum, der sich in den letzten 30 Millionen Jahren fast kontinuierlich absenkte. Daher ist die Geologie der Niederrheinischen Bucht heute gekennzeichnet durch Ablagerungen der Nordsee als auch Sand und Kies aus Flüssen, welche diese Senke durchflossen. In weiten Zeitabschnitten konnte sich eine subtropische Wald- und Moorvegetation ausbreiten, auch begünstigt durch umfangreiche Grundwasservorkommen. Organisches Material, das im Wasser unter Luftabschluss geriet, vermoderte nicht mehr. Es wurde durch das Wasser luftdicht abgeschlossen, so dass sich Torf bilden konnte. Dank anhaltender Absenkung des Rheinlandes entstanden mächtige Torfschichten. Im Raum Bergheim erreichte der Torf Mächtigkeiten bis zu 270 Metern (die sogenannte Hauptflöz-Gruppe). Die „fertige Braunkohle“ und ihre Brennbarkeit erkannten wohl die Römer zuerst. Bei dem Bau einer Wasserleitung bei Frechen müssen sie in geringer Tiefe auf die Kohle gestoßen sein. Dabei kam es wohl auch zum ersten dokumentierten Flözbrand in der Geschichte des Rheinischen Reviers. Gefördert wurde die Kohle von den Römern nicht. 

Im Laufe der Jahrmillionen wurde das Klima kälter. Viel Wasser wurde in den Kaltzeiten in Gletschern gebunden, so dass der Meeresspiegel weltweit sank. Die Nordsee zog sich aus dem Rheinland gen Norden in die Niederlande zurück. Über den Torfschichten lagerten Flüsse wie der Rhein, die Rur und die Maas vor allem Sande und Kiese ab. Dadurch verdichtete sich der Torf und gab Wasser ab. Unter dem Druck der Ablagerungen entstand durch Inkohlungsprozesse die heutige Braunkohle. Durch vier Eiszeiten erhielt das Rheinland sein heutiges Aussehen. Die typischen Pflanzen aus der Braunkohlezeit wurden – soweit sie das heutige gemäßigte Klima tolerieren – in einem Lehrpfad im Park des Schlosses Paffendorf, dem Informationszentrum Braunkohle des Unternehmens RWE Power, angepflanzt.