Nur wenige historische Bauwerke haben in Heilbronn die Zerstörungen des Zweiten Weltkriegs überstanden, die meisten wurden ganz oder teilweise wieder aufgebaut. Das gilt auch für die Kilianskirche (13. Jh.), die das Stadtbild um den Marktplatz beherrscht. Ihr 1529 vollendeter Westturm ist eines der ersten Renaissance-Bauwerke nördlich der Alpen. Das bedeutendste Kunstwerk im Innern ist der geschnitzte Marienaltar von Hans Seyfer aus dem 15. Jh. Gegenüber der Kirche stehen das ebenfalls rekonstruierte Rathaus mit einer schmucken Renaissanceuhr und das Käthchenhaus. In diesem Patriziergebäude soll angeblich Heinrich von Kleists liebenswerte Fantasiegestalt "Käthchen von Heilbronn" gewohnt haben. Von der mittelalterlichen Stadtbefestigung blieben der Bollwerksturm und der so genannte Götzenturm erhalten.
