Pleidelsheim liegt im Bundesland Baden-Württemberg und ist eine Gemeinde im Landkreis Ludwigsburg. Die Kreisstadt Ludwigsburg liegt etwa 8 km entfernt. Die Nachbargemeinden sind Murr, Freiberg am Neckar, Ingersheim, Mundelsheim und Höpfigheim. Der Ort wird von dem Bach Riedbach durchflossen, der am westlichen Ortsrand in den Neckar mündet. Entlang des Neckars erstrecken sich die Naturschutzgebiete Pleidelsheimer Wiesental und Altneckar, die durch ihre Feuchtbiotope und Flussauen geprägt sind. Zu Pleidelsheim gehören das Laufwasserkraftwerk, das Dorf Pleidelsheim, der abgegangene Ortsteil Kuchenbach-St. Anna und das Gehöft Sonnenhof.