Villefranche-sur-Mer se trouve immédiatement à l'est de Nice , le long des monts Boron, Alban et Vinaigrier, et à 10 km au sud-ouest de Monaco . La rade de Villefranche est l'un des ports naturels les plus profonds de la Méditerranée et offre un mouillage sûr aux grands navires par vent d'est. Atteignant une profondeur de 98 m entre le cap de Nice et le cap Ferrat , elle s'étend vers le sud pour former un gouffre de 518 m connu sous le nom de canyon sous-marin de Villefranche, à environ 1,9 km au large des côtes. La rade est le lieu où mouille la sixième flotte américaine lors de ses croisières le long de la côte méditerranéenne.

Les limites de la ville s'étendent jusqu'aux collines qui entourent la baie, culminant à 577 m d'altitude, point culminant du Mont-Leuze, reflétant sur terre les reliefs du large. La Basse Corniche traverse la Villefranche, suivie de la Moyenne Corniche et de la Haute Corniche, qui pénètrent dans l'extrême ouest des Alpes-Maritimes.