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El municipio se localiza en la región I-Noreste de la entidad, limitando al norte con San Felipe; al este con Dolores Hidalgo; al sur con Salamanca e Irapuato y al oeste con Silao y León. Teniendo como límites las coordenadas geográficas 101°02’00’’ y 101°26’30’’ de longitud oeste al meridiano de Greenwich y a los 20°48’42’’ y 21°13’03’’ de latitud norte.
La extensión territorial del municipio de Guanajuato asciende a 996.74 kilómetros cuadrados. Su área territorial representa el 3.28% de la superficie total del estado.
Las corrientes de agua que se encuentran entre los intrincados cerros de la sierra de Guanajuato son: por el noroeste, arroyo Cedeño y La Goya que se une al río La Hernia, en el poblado de San José de Pinos; éste recibe después el nombre de arroyo La Joya y se le une el arroyo El Salto, en el poblado de Arperos y así sigue el cauce hasta reunirse con el arroyo El Gigante, para juntos formar el río Silao. Por el norte se localizan los arroyos La Cebada, Potrero y La Escondida que, unidos al arroyo Concepción, desembocan en la presa de La Esperanza y ésta por su parte; se alimenta del cauce de los arroyos Llano Grande, Melchores, La Tapona, Duraznillo y Mexicanos. Cabe mencionar que de La Presa de la Soledad sale el arroyo Santa Ana, al cual en el Tajo de Adjuntas, se le unen los arroyos La Hacienda, Conejas y Las Raíces provienen de la presa Peregrina y van a desembocar a la presa de Mata, que actualmente ha quedado hundida por la recién construida presa Las Torres. Debemos mencionar que las aguas de esta última atraviesan la ciudad de Guanajuato para unirse al río del mismo nombre. Por su parte el río Guanajuato tiene como afluentes a los arroyos El Arco, Paso del Padre, El Pulque, que forman el río del Cubo cerca del Zangarro.
 La sierra de Guanajuato, también llamada de San Gregorio, ocupa la mayor parte del territorio municipal. Las principales elevaciones son los cerros Santa Rosa, Chichíndaro, Sirena, Bufa Picacho y Bufa Peñón, todos ellos cerca de la ciudad de Guanajuato, por los lados oriente y norte; otros cerros son la Giganta, el Gigante, los Llanitos y Vaquería, por el rumbo noroeste de la ciudad. La altura media de estas elevaciones se calcula en 2,400 metros sobre el nivel del mar
Los suelos del municipio son de estructura blocosa angular a blocosa subangular, con una consistencia de friable a muy firme, de textura franco arenosa a arcillo-limosa y de un pH de 6.0 a 8.9.
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