Według podziału fizycznogeograficznego Jerzego Kondrackiego obszar Osiedla Paderewskiego-Muchowca położony jest w mezoregionie Wyżyna Katowicka (341.13), stanowiącego południową część makroregionu Wyżyna Śląska. Sama zaś Wyżyna Śląska jest fragmentem podprowincji Wyżyna Śląsko-Krakowska. Pod względem krain historycznym Osiedle Paderewskiego-Muchowiec znajduje się we wschodniej części Górnego Śląska.
Według państwowego rejestru nazw geograficznych na terenie dzielnicy znajdują się punkty główne części miasta: Osiedle Ignacego Jana Paderewskiego, Muchowiec, Dolina Trzech Stawów i Kolonia Zuzanny.
Geologia Tereny Osiedla Paderewskiego-Muchowca położone są w niecce górnośląskiej, a obszar ten ma budowę zrębową. Na przełomie dewonu i karbonu zostało zaburzone paleozoiczne podłoże Wyżyny Śląskiej poprzez utworzenie zapadliska, które w okresie karbonu zostało wypełnione przez zlepieńce, piaskowce i łupki ilaste zawierające pokłady węgla kamiennego. Utwory z tego okresu budują podłoże dzielnicy, a południkowo na wysokości Doliny Trzech Stawów przebiega uskok. Wierzchnie utwory pochodzące z okresu karbonu pokrywają zachodnią część dzielnicy – obszar na zachód od ulicy Granicznej i na północ od ulicy Lotnisko. Występują tam wychodnie warstw orzeskich (westfal B).