Cały obszar dzielnicy położony jest na Wzgórzach Chorzowskich, a najwyżej położony punkt znajduje się na granicy Katowic i Siemianowic Śląskich, na wysokości Stacji Linii Radiowych Bytków – sięga on wysokości 316 m n.p.m. Z tego miejsca obszar opada w kierunku południowym, wzdłuż alei W. Korfantego.

mały|Fragment Parku Wełnowieckiego (2011)

Klimat Wełnowca nie wyróżnia się zbytnio od klimatu dla całych Katowic, a jedynie jest modyfikowany przez lokalne czynniki (topoklimat). Występuje tu klimat umiarkowany przejściowy z przewagą prądów oceanicznych nad kontynentalnymi. Prawie cały obszar dzielnicy położony jest w zlewni Rawy, która jest częścią dorzecza Wisły – niewielkie połacie terenu przy granicy z Siemianowicami Śląskimi leżą na terenie zlewni Brynicy (Rowu Śmiłowskiego). Brak jest tu cieków wodnych, natomiast znajduje się tu jeden staw, znajdujący się przy skrzyżowaniu alei W. Korfantego i ulicy Konduktorskiej.