Od strony północnej Katowicki Park Leśny graniczy z Zawodziem, od wschodu z ulicą Murckowską i ulicą Pszczyńską, od południa ze zlikwidowaną stacją Katowice Muchowiec, a od zachodu z Brynowem. Dodatkowo sąsiaduje od strony północno-zachodniej z lotniskiem Katowice-Muchowiec i osiedlem I.J. Paderewskiego.
Katowicki Park Leśny znajduje się na obszarze mezoregionu Wyżyna Katowicka, natomiast pod względem geologicznym usytuowany jest w niecce górnośląskiej, która wypełniona jest utworami pochodzącymi z górnego karbonu w postaci łupków, piaskowców i zlepieńców zawierających pokłady węgla kamiennego. Powierzchniowo natomiast obszar parku wzdłuż doliny Potoku Leśnego budują plejstoceńskie mady, mułki, piaski i żwiry rzeczne, a dalej od niej eluwia glin zwałowych. Pod względem jednostek geomorfologicznych zachodnie fragmenty Katowickiego Parku Leśnego dochodzą do Wzgórz Kochłowickich, a pozostała, znaczna jego część znajduje się na Płaskowyżu Murcek dochodzącym do kilku wyraźnych grzęd, a dwie pierwsze są rozdzielone przez Dolinę Trzech Stawów.