Карлово е разположено между 392 м и 612 м надморска височина в северната част на Карловското поле, което се образува на югозапад от Стара планина, на север от Същинска Средна гора и на североизток от Сърнена гора. Планинската местност Козница (до град Клисура) отделя на запад Стремската долина от съседните задбалкански котловини, а на изток тя е отделена от Кръстец (Стражата).