Die Stadt liegt an der Südseite des Mains und westlich des Frankfurter Stadtwalds. Der allgemein als Unterdorf bezeichnete ursprüngliche Ortskern grenzt sich scharf von dem wesentlich größeren, allgemein Oberdorf genannten Siedlungsbereich ab, der erst mit dem Bau der Bahnlinie und der Industrialisierung Anfang des 20. Jahrhunderts oberhalb der etwa 17 Meter hohen Kelsterbacher Terrasse entstand, die sich vom Frankfurter Stadtwald 8 Kilometer nach Westen zieht. Der Ort ist Teil der Stadtregion Frankfurt sowie der Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main.

Kelsterbach grenzt im Westen an Okriftel, einem Stadtteil von Hattersheim am Main (Main-Taunus-Kreis), im Norden an die Stadtteile Sindlingen, Höchst und Schwanheim der kreisfreien Stadt Frankfurt am Main, im Osten und Süden an das Areal des Flughafen Frankfurt am Main sowie im Südwesten an die Stadt Raunheim.

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