Sursee liegt am nordwestlichen Ende des Sempachersees. Der Ortsname "Sursee" setzt sich aus den Begriffen "Sure" und "See" zusammen. Die Sure fliesst in einem gekrümmten Lauf durch das Städtchen und weiter gegen Norden durch den Surseerwald. Im Sempachersee liegt eine auf dem Gemeindegebiet gelegene, kleine naturgeschützte Insel (Gamma Insel). Das geschützte Seeufer ist sumpfig und trägt den Namen Zellmoos (Zällmoos). Das Gemeindegebiet liegt zwischen dem Viereck Sempachersee, Autobahn A2, Surseerwald (im Nordwesten) und der Bahnlinie Luzern-Olten.
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