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Witterswil liegt auf 338 m ü. M., 9 km südsüdwestlich der Stadt Basel (Luftlinie). Das Haufendorf erstreckt sich in einer Exklave des Kantons Solothurn in einer weiten Mulde am Juranordfuss, im hinteren Leimental, nahe der Grenze zu Frankreich.
Die Fläche des 2.7 km² grossen Gemeindegebiets umfasst einen kleinen Abschnitt am Juranordfuss. Naturräumlich liegt Witterswil im Übergangsbereich von der leicht gewellten Landschaft des Sundgauer Hügellandes zu den gefalteten mesozoischen Gesteinsschichten des nördlichen Juras. Etwa beim alten Dorfkern beginnt eine leichte Senke, die sich nach Osten gegen Ettingen öffnet und durch den Marchbach zum Birsig entwässert wird. Nördlich an diese Talsenke schliesst sich der nur etwa 20 m höher gelegene, breite Rücken von Nassläng und Witterswilerfeld an. Parallel dazu verläuft weiter im Norden das Muldental des Binnbachs, das wiederum vom Geländerücken der Egg (353 m ü. M.; nördliche Gemeindegrenze) flankiert wird.
Südlich von Witterswil steigt das Gelände über den Hang des Witterswiler Berges steil an und erreicht mit 500 m ü. M. den höchsten Punkt der Gemeinde. Die Antiklinale des Witterswiler Berges bildet eine der Blauenkette vorgelagerte Jurafalte. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 13 % auf Siedlungen, 20 % auf Wald und Gehölze und 67 % auf Landwirtschaft.
Zu Witterswil gehören ausgedehnte neue Wohnquartiere. Nachbargemeinden von Witterswil sind Hofstetten-Flüh und Bättwil im Kanton Solothurn sowie Biel-Benken, Therwil und Ettingen im Kanton Basel-Landschaft.