Pulheim liegt in einer offenen Ackerlandschaft im linksrheinischen Teil der Kölner Bucht. Die Entfernung zwischen dem Stadtteil Pulheim (Mitte) und dem Kölner Stadtzentrum beträgt etwa 13 km (Luftlinie). Die nordrhein-westfälische Landeshauptstadt Düsseldorf liegt rund 25 Kilometer nördlich von Pulheim, die Entfernung zur Bundesstadt Bonn beträgt rund 35 Kilometer. Der nordöstliche Teil des Stadtgebietes mit den Orten Sinnersdorf, Stommelerbusch und Orr liegt auf der Niederterrasse des Rheintales (etwa 45 m ü. NHN); durch Stommeln und den Zentralort verläuft die Grenze zur unteren Mittelterrasse (etwa 60 m ü. NHN). Nach Südwesten steigt das Gelände weiter an. Die übrigen Stadtteile liegen bereits am unteren Rand des Ostabhangs der Ville. Dansweiler ist mit etwa 90 m ü. NHN der am höchsten gelegene Ort.

Die Stadt verfügt heute über zwei Gewerbegebiete, eines bei Pulheim (ca. 93 ha) und eines bei Brauweiler (ca. 81 ha) gelegen, in denen sich kleine und mittelgroße Betriebe unterschiedlichster Branchen angesiedelt haben. Keimzelle des Brauweiler Gewerbegebiets ist die Umspannanlage Brauweiler, die in den 1920er Jahren von der RWE AG als nördlicher Endpunkt der Nord-Süd-Leitung errichtet wurde. Diese bis heute bestehende Hochspannungs-Verbundleitung verbindet die Grundlastkraftwerke des Rheinischen Braunkohlereviers mit den Wasserkraftwerken in Süddeutschland. Die Umspannanlage wird vom Netzbetreiber Amprion betrieben und spielt eine zentrale Rolle bei der Steuerung des deutschen und europäischen Verbundnetzes. Pulheim und seine Orte waren seit jeher agrarisch geprägt, bevor sie ab Mitte des 20. Jahrhunderts zunehmend als Wohnstandort für zuwandernde Bevölkerung dienten. Industrielle Entwicklung in größerem Maßstab fand im Gegensatz zu vielen anderen Kölner Umlandkommunen nicht statt. 

Weitere größere Gewerbebetriebe in Pulheim sind u. a. das Mercedes-Benz-Logistik-Center der Daimler AG, der Verpackungshersteller VG Nicolaus, der Kosmetikhersteller MAXIM Markenprodukte sowie die Baustoffproduzenten KANN und BFP. Das außerhalb der Gewerbegebiete gelegene ehemalige Kaltwalzwerk Uebemann wurde nach Einstellung der Produktion in den 1990er Jahren in einen multifunktionalen Standort für Unternehmen aus Kultur, Gastronomie, Einzelhandel und Dienstleistung („Walzwerk“) umgebaut. Unter den Kommunen im Raum Köln verfügt Pulheim über die Bevölkerung mit der höchsten Kaufkraft (Stand: 2014). Diese fließt jedoch zu einem großen Teil in andere Kommunen ab, da viele Einzelhandelsbranchen in Pulheim unterrepräsentiert oder gar nicht vertreten sind. Die Stadt spielt daher auch als regionales Versorgungszentrum nur eine untergeordnete Rolle.