Tuttlingen liegt im oberen Donautal, das sich als breite Senke durch die Schwäbische Alb zieht. Der Fluss durchfließt die Stadt von Südwest nach Nordost, während im Norden die Hochfläche der Baar-Alb aufragt und im Süden die Hegau-Alb beginnt. Einzelhöfe finden sich nur im Süden auf der wasserführenden Juranagelfluh, wo sie die sonst geschlossene Walddecke unterbrechen. Die nächste größere Stadt ist Villingen-Schwenningen etwa dreißig Kilometer entfernt.
Erstmals erwähnt wurde Tuttlingen im Jahr als Tutiliningas, als es zum Kloster Reichenau gehörte. Vor dem Mittelalter erhielt der Ort Stadtrecht und wurde später Teil Württembergs, allerdings mehrfach verpfändet. Die Festungsanlage auf dem Honberg entstand unter Eberhard im Bart und machte Tuttlingen zu einer wichtigen Grenzfestung. Im Dreißigjährigen Krieg war die Stadt umkämpft, besonders nach der Schlacht bei Tuttlingen, in der französische Truppen vernichtend geschlagen wurden. Später diente Tuttlingen als Sitz eines württembergischen Oberamtes.
Das Wahrzeichen der Stadt ist die Burg auf dem Honberg mit ihren beiden markanten Türmen, die nach der Zerstörung im 17. Jahrhundert wiederaufgebaut wurde. Der Stadtkern entstand nach einem Brand im frühen 19. Jahrhundert mit einem streng gitterförmigen Grundriss und einem quadratischen Marktplatz. Heute prägen Medizintechnikunternehmen das Bild, weshalb sich Tuttlingen als Weltzentrum der Branche bezeichnet. Zahlreiche Schutzgebiete wie das Naturschutzgebiet Bächetal und Landschaftsschutzgebiete umgeben die Stadt, die zudem am Naturpark Obere Donau liegt.
