Luxeuil-les-Bains est une commune française située dans le département de la Haute-Saône, en Franche-Comté, dans la région administrative Bourgogne-Franche-Comté.
Commune principale de la communauté de communes du Pays de Luxeuil, elle est la quatrième la plus peuplée du département après Vesoul, Héricourt et Lure. Réputée pour ses spécialités culinaires, sa dentelle et principalement ses thermes, elle fait partie des villes portes adhérentes du parc naturel régional des Ballons des Vosges.
La cité est connue dès l'époque celtique grâce aux sources d'eaux chaudes. Les thermes ont permis l'installation et le développement de la vie artisanale sur le territoire de Luxeuil. À la fin de l'Antiquité, Luxeuil voit se développer un fort épisode spirituel et intellectuel par Colomban de Luxeuil, qui a évangélisé la ville et la région. Lors de la Renaissance, la ville est dotée d'un riche patrimoine architectural et ornemental. Durant l'époque contemporaine, le thermalisme se développe considérablement. Les thermes et les eaux de Luxeuil-les-Bains sont alors renommés nationalement. La ville est également connue pour être l'emplacement de la base aérienne 116 Luxeuil-Saint Sauveur qui constitue le second employeur du département. De multiples équipements culturels, sportifs (tels que le Club Haltérophile Luxovien, possédant une équipe en Nationale 1 et plusieurs inter-nationaux) et sanitaires offrent à la population des activités diversifiées.
Luxeuil-les-Bains se situe à 27,5 kilomètres au nord-est de Vesoul.
Luxeuil-les-Bains est située dans le nord du département de la Haute-Saône, dans le pays des Vosges saônoises qui s'étire sur quelque soixante kilomètres d'ouest en est et quarante kilomètres du nord au sud, au bord du Breuchin et forme un écrin naturel autour de la ville. Dans le nord de la Franche-Comté et au contact de la Lorraine, ce territoire culmine à l'est au ballon de Servance (1 216 mètres) et se trouve à demi englobé dans le parc naturel régional des Ballons des Vosges. Luxeuil est à l'entrée de cette vaste entité géographique d'environ 3 000 km2 qui touche quatre départements (Haute-Saône, Vosges, Territoire de Belfort et Haut-Rhin).
À vol d'oiseau, la commune se trouve à 27,5 kilomètres au nord-est de Vesoul, 319,7 km de Paris, 508,0 km de Marseille, 257,1 km de Lyon, 604,7 km de Toulouse et 461,9 km de Nice.
Luxeuil-les-Bains est limitrophe de huit communes :Les communes limitrophes sont Breuches, Fontaine-lès-Luxeuil, Fougerolles-Saint-Valbert, Froideconche, Hautevelle et Saint-Sauveur.
La superficie de la commune est de 2 181 hectares ; son altitude varie de 260 à 395 mètres.
Luxeuil-les-Bains est construite sur le plateau de Haute-Saône dans la dépression sous-vosgienne et s'appuie sur le versant méridional du massif des Vosges. Elle est située à proximité du bassin houiller stéphanien sous-vosgien. Le sol de la commune est majoritairement composé d'alluvions du Quaternaire reposant sur le Trias. La vallée de l'Ognon présente un modelé glaciaire avec une forme en auge caractéristique d'une érosion provoquée par un important glacier. Celui-ci a laissé des moraines et des verrous.
La partie sud et la partie urbanisée du territoire communal se trouvent dans une plaine tandis que la partie nord est vallonnée.
Dans les Vosges saônoises, les sources, nombreuses et abondantes, alimentent un dense réseau hydrographique. Elles ramènent parfois à la surface de la terre chaleur et minéraux.
Les rivières descendent des contreforts vosgiens et se dirigent principalement vers le sud-ouest pour rejoindre le bassin de la Saône. Tantôt elles forcent les obstacles naturels comme au saut de l'Ognon, haut de 14 mètres (commune de Servance), tantôt, tel le Breuchin entre Faucogney et Raddon, elles se glissent paresseusement dans une ancienne vallée glaciaire et servent de gîte aux truites, voire aux écrevisses.
Les étangs parsèment par centaines le plateau délimité par l'Ognon et le Breuchin. D'origine glaciaire (comme les moraines et les blocs erratiques bien visibles) ou aménagés par l'homme au cours des siècles passés, ils confèrent à cette région dite des « Mille Étangs » un charme particulier, encore rehaussé à l'automne par les coloris flamboyants des forêts qui les sertissent. Le circuit des étangs est présenté sur un panneau à Beulotte-Saint-Laurent.
Les tourbières enfin témoignent de l'évolution des auges glaciaires au moment du dégel.
Plusieurs plans d'eau sont présents à l'extrémité sud-ouest du territoire communal et sont limitrophes de la base aérienne 116. Il s'agit de gravières dont certaines sont toujours exploitées dans les années 2020.
Plusieurs études ont été menées afin de caractériser les types climatiques auxquels est exposé le territoire national. Les zonages obtenus diffèrent selon les méthodes utilisées, la nature et le nombre des paramètres pris en compte, le maillage territorial des données et la période de référence. En 2010, le climat de la commune était ainsi de type climat de montagne, selon une étude du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) s'appuyant sur une méthode combinant données climatiques et facteurs de milieu (topographie, occupation des sols, etc.) et des données couvrant la période 1971-2000. En 2020, le climat prédominant est classé Cfb, selon la classification de Köppen-Geiger, pour la période 1988-2017, à savoir un climat tempéré à été frais sans saison sèche. Par ailleurs Météo-France publie en 2020 une nouvelle typologie des climats de la France métropolitaine dans laquelle la commune est exposée à un climat semi-continental et est dans la région climatique Lorraine, plateau de Langres, Morvan, caractérisée par un hiver rude (1,5 °C), des vents modérés et des brouillards fréquents en automne et hiver. Elle est en outre dans la zone H1b au titre de la réglementation environnementale 2020 des constructions neuves.
Pour la période 1971-2000, la température annuelle moyenne est de 9,8 °C, avec une amplitude thermique annuelle de 17,3 °C. Le cumul annuel moyen de précipitations est de 1 132 mm, avec 12,9 jours de précipitations en janvier et 10,3 jours en juillet. Pour la période 1991-2020, la température moyenne annuelle observée sur la station météorologique de Météo-France la plus proche, sur la commune de Saint-Sauveur à 1 km à vol d'oiseau, est de 10,8 °C et le cumul annuel moyen de précipitations est de 977,3 mm.
La température maximale relevée sur cette station est de 38,9 °C, atteinte le 25 juillet 2019 ; la température minimale est de −25,9 °C, atteinte le 16 janvier 1966.