Gronau befindet sich südwestlich von Hildesheim zwischen Leinebergland im Westen und Innerstebergland im Osten. Es liegt westlich des Hildesheimer Walds bzw. nördlich der Sieben Berge. Die Stadt wird von der Leine durchflossen.
Westlich von Gronau führt ein Abschnitt der B 3 vorbei.
Das Stadtbild ist geprägt durch zahlreiche Fachwerkhäuser in traufenständiger Bauweise, wie sie für das südliche Niedersachsen typisch sind.
Beherrscht wird es durch den mächtigen, 65 Meter hohen Turm der evangelischen St.-Matthäi-Kirche. Im Jahre 1309 wird die St. Matthäus geweihte Kirche zu Gronau erstmals urkundlich erwähnt. Der Bau der heutigen St. Matthäi-Kirche wurde 1457 begonnen. Der Turm ist in seinem Kern etwas älter. Unter den zahlreichen Bränden, die die Stadt Gronau im Laufe der Jahrhunderte zerstörten, haben Kirche und Turm gelitten. Mitte des 19. Jahrhunderts war die Kirche so baufällig geworden, dass zunächst ein kompletter Neubau in Erwägung gezogen wurde, die Kirche aber schließlich erhalten blieb und umgebaut wurde. Von 1856 bis 1859 hat sie ihr heutiges Aussehen als dreischiffige neugotische Hallenkirche durch den hannoverschen Architekten Tochtermann nach Plänen des Oberhofbaudirektors Laves erhalten. Der geschnitzte Flügelaltar im Inneren soll 1415 in der Hamburger Meisterwerkstatt Bertram entstanden sein. In einer Nische der südlichen Chorwand über der Sakristeitür war einst eine wertvolle Kreuzigungsgruppe angebracht, die jetzt im südlichen Seitenschiff besser zur Geltung kommt. Die aus Lindenholz geschnitzten Figuren wurden 1520 in einer Hildesheimer Werkstatt hergestellt. Im Jahre 1860 wurde auch die alte verfallene Orgel durch eine neue des damals in Elze ansässigen Orgelbauers Philipp Furtwängler ersetzt. Mit ihren 58 Registern ist sie sein bedeutendstes Werk und in der Hannoverschen Landeskirche eine der größten Orgeln ihrer Zeit. Sie wurde 1936 durch das Landeskirchenamt unter Denkmalschutz gestellt und zuletzt von 1978 bis 1981 durch die Gebr. Hillebrand restauriert.
Auf dem Evangelischen Friedhof findet sich die mittelalterliche Lehder Kirche, die heute für die Trauerfeiern und gelegentliche Gottesdienste genutzt wird. Daneben gibt es auch die katholische St.-Josefs-Kirche, die Klosterkirche eines offiziell nie aufgehobenen Klosters. Ferner eine 1983 geweihte neuapostolische Kirche nahe dem Stadtpark.
Im Luftbild ist noch gut der Kern der Kleinstadt zu erkennen, an dessen Rand die Stadtmauer samt Wällen zwischen den Leine-Armen entlang verlief. An der Stelle der Wälle sind heute entsprechend betitelte Fuß- und Radwege, die an den Verlauf erinnern (Nordwall und Südwall). Gronau wurde von einer Stadtmauer umgeben, deren Reste noch am Nordwall zu erkennen sind. Am Südwall steht ein ehemaliger Wachturm.
An der Nordseite Gronaus verlief die Bahnstrecke, welche in den 80er Jahren stillgelegt wurde. Die ehemalige Eisenbahnbrücke, die die Bahn über die Leine führte, ist heute ein Rad- bzw. Fußweg.
Seit Ende des Zweiten Weltkriegs und mit der Zuwanderung von Flüchtlingen aus den ehemals deutschen Ostgebieten entstanden mehrere Neubaugebiete. Diese Entwicklung hält bis heute an.