Warstein liegt im Südteil des Kreises Soest im Naturpark Arnsberger Wald an der Wäster. Es befindet sich am Nordrand des Sauerlands zum sich nördlich daran anschließenden Haarstrang, hinter dem die Westfälischen Bucht liegt.
Das Stadtgebiet Warsteins gliedert sich in den von Wald bedeckten Süden (”Warsteiner Wald”) und den unbewaldeten Norden (”Haarstrang”) auf. Die Grenze beider Landschaftsformen bildet der Fluss Möhne. Der Haarstrang stellt die Grenze zwischen der im Süden liegenden naturräumlichen Einheit “335 Nordsauerländer Oberland“ und der nördlich vom Haarstrang gelegenen Einheit “542 Hellwegbörden“.
Der höchste Punkt Warsteins befindet sich auf 581,3 m ü. NN knapp 3 km (Luftlinie) östlich der Passhöhe Stimm Stamm“ (51°23′43,5″ Nord und 8°20′44,2″ Ost) an einem Waldweg wenige Meter nord-nordwestlich der höchsten Stelle (581,5 m ü. NN) des Naturparks Arnsberger Wald. Die niedrigste Stelle der Stadt liegt auf 216,5 m ü. NN im Beiwindetal im Norden des Stadtteils Waldhausen.
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