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Catania offre paesaggi eterogenei concentrati in un'area ristretta. Sorge sulla costa orientale dell'isola, ai piedi dell'Etna (il vulcano attivo più alto d'Europa) a circa metà strada tra le città di Messina e Siracusa, affacciandosi sul mar Ionio con il golfo che da essa prende il nome.
Il territorio è prettamente pianeggiante a sud e sud-est, e montuoso a nord per la presenza dell'Etna. Esso comprende anche una consistente parte della piana di Catania ('a Chiana), una tra le più estese aree coltivate della Sicilia, la cui zona più vicina al mare costituisce l'Oasi del Simeto, riserva naturale di circa 2.000 ettari, istituita nel 1984. L'Oasi del Simeto prende nome dal fiume Simeto che sfocia a sud della città, nella frazione Primosole.
Il nucleo originario della città era situato su un'altura: la collina di Monte Vergine (49 m s.l.m.), nata da un'eruzione preistorica dell'Etna datata tra 15.000 e 3960 ± 60 anni dal presente, corrispondente all'odierna Piazza Dante Alighieri dove sorge il Monastero di San Nicolò l'Arena (oggi sede universitaria), nei pressi della quale scorreva un corso d'acqua, l'Amenano, che sfociava vicino l'attuale Piazza del Duomo, mentre a sud vi era il terrazzo di Acquicella (15 m s.l.m.), separato dal fiume da una valle, poi colmata dalle lave dell'eruzione del 1669. L'unico altro rilievo importante è la collina di Santa Sofia (303 m s.l.m.), nel quartiere omonimo, dove sorge la Cittadella Universitaria, quasi al confine con Gravina di Catania, comune del vasto hinterland.
Il verde pubblico è costituito dai parchi situati all'interno della città. Sono sei quelli di una certa grandezza e importanza: il Giardino Bellini o Villa Bellini, chiamato 'a Villa, è dedicato al musicista Vincenzo Bellini; il Giardino Pacini o Villa Pacini, soprannominato Villa 'e varagghi (cioè "degli sbadigli") dedicato al musicista Giovanni Pacini; il Parco Gioeni (situato a nord del quartiere Borgo, alla fine della via Etnea); il Parco Falcone e Borsellino (a nord del corso Italia), dedicato agli omonimi magistrati uccisi dalla mafia; e il Boschetto della Plaia (nella zona tra il sud della città e l'Aeroporto Vincenzo Bellini, l'ex Mercato Ortofrutticolo Comunale e il quartiere Plaia). Tra gli altri, per l'importanza storica e per la conservazione della biodiversità, va segnalato l'Orto botanico di Catania, nel quartiere Mercede.
La città è attraversata da un fiume sotterraneo, il già citato Amenano, che anticamente sfociava dove oggi c'è la suddetta Villa Pacini e ora sfocia più a sud-est, dove c'è il porto. Esso si rende visibile alla Fontana dell'Amenano, fontana in marmo bianco chiamata dai catanesi l'Acqua a 'llinzolu che sorge tra la cosiddetta "Pescheria" e la piazza del Duomo, e nei sotterranei del locale Ostello Agorà. In passato, poco fuori le mura ad ovest, si poteva trovare il lago di Nicito, al fiume collegato e ormai coperto dalla colata lavica del 1669 (l'omonima via ne ricorda l'ubicazione).
Ma è stato tutto il territorio circostante a mutare profondamente in seguito a calamità naturali come le varie colate laviche: la costa a nord del porto è costituita da una scogliera, sita dove oggi è presente la Stazione Centrale, detta dell'Armìsi e formata in varie epoche storiche nel 1169, 1329 e 1381, anno in cui venne coperto anche parte dell'antico Porto Ulisse nel quartiere Ognina; tale tratto di costa comprende la spiaggetta di San Giovanni li Cuti. L'area a sud del Castello Ursino, un tempo sul mare, è invece il prodotto dell'enorme colata del 1669 che, accerchiatolo, si spinse per qualche chilometro verso il golfo. La costa a sud del porto venne profondamente modificata, facendo cominciare più a sud il litorale sabbioso della Plaia.
