Сначала пфальцграфы не имели никакой постоянной резиденции, а останавливались в различных местах своих владений. Но уже при Людвиге II Строгом (1253—1294) Гейдельберг стал их постоянной резиденцией и приобрёл характер столицы. Его положение усиливало то, что Людвиг II Строгий был герцогом Верхней Баварии и входил в число князей-выборщиков императоров (курфюрстов). По договору в Павии 4 августа 1329 года владения Виттельсбахов были разделены между пфальцской и баварской линиями, а титул курфюрста должен был чередоваться между обеими линиями. Однако, по «Золотой булле» 1356 года императора Карла IV Люксембурга его получили только пфальцграфы рейнские. Отныне они были известны как курфюрсты Пфальца (Курпфальца) и принадлежали к самым влиятельным немецким властителям.
В 1386 году курфюрст Рупрехт I основал университет Гейдельберга – первый университет на территории Германии и четвёртый после болонского, пражского и венского университетов на территории Священной Римской империи. Появление университета серьёзно повысило значение Гейдельберга.
При курфюрсте Рупрехте II в 1392 году площадь Гейдельберга удвоилась, и в таком виде он просуществовал вплоть до XIX века.
21 августа 1400 года курфюрст Рупрехт III был избран королём Германии, и Гейдельберг 10 лет его нахождения на троне по факту был столицей королевства. Его наследники, в частности, Фридрих I (1451—1476) к концу XV века превратили Гейдельбергский университет в оплот раннего Гуманизма.
Несмотря на наличие в городе придворной знати и учёных, в Средневековье Гейдельберг оставался скорее аграрным полусельским городком. Бюргерство было организовано в 10 цехах, из которых винодельческий был самым большим.
В первой половине XVI века в регионе распространились реформаторские идеи Мартина Лютера. Курфюрст Фридрих II (1544—1556) перешёл было к реформаторской политике, но под давлением императора вынужден был вернуться к католицизму. Только при курфюрсте Отто Генрихе (Оттхайнрихе) (1556—1559) Курпфальц стал лютеранским. Он же покончил с влияния католической церкви на Гейдельбергский университет. Курфюрст Фридрих III Благочестивый (1559—1576) ввёл в Курпфальце кальвинизм. При нём в 1663 году был составлен «Гейдельбергский катехизис» – исповедание кальвинистской церкви. Тогда Гейдельберг стал центром кальвинистской учёности, «немецкой Женевой», в его университет съезжались профессора и студенты со всей Западной Европы. При следующем курфюрсте Людвиге VI (1576—1583) Гейдельберг вернулся к лютеранскому протестантизму, прежде чем регент Курпфальца пфальцграф Рейнский Иоганн Казимир (1583—1592) снова ввёл кальвинизм. При каждой такой перемене веры Гейдельбергский университет вычищался от неприемлемых профессоров.
К концу XVI века в Гейдельберге было построено множество великолепных зданий эпохи Возрождения, век спустя разрушенных во время «Пфальцской войны за наследство». Сам Гейдельбергский замок в XVI веке существенно расширился и был перестроен из средневекового замка в соответствующую Новому времени резиденцию.