Город расположен на прибрежной низменности, прилегающей к заливу Санта-Моника, и окаймленной горами Сан-Габриель, Санта-Моника и Санта-Ана. Географические координаты Лос-Анджелеса: 33.933333, -118.433°56?00? с. ш. 118°24?00? з. д.? / ?33.933333° с. ш. 118.4° з. д. (G).

    По данным бюро переписи населения США, общая площадь Лос-Анджелеса составляет 1290,6 км?, в том числе 1214,9 км? — суша и 75,7 км? — водные пространства (5,86 %). Максимальная протяжённость города с севера на юг составляет 71 км, с востока на запад — 47 км, протяжённость городских границ — 550 км. Городская территория является девятой по площади в континентальной части США (то есть исключая Джуно, штат Аляска и Гонолулу, штат Гавайи).

Большой Лос-Анджелес (агломерация) протягивается почти на 200 км между городами Вентура и Сан-Бернардино.

Наивысшая точка Лос-Анджелеса — пик Сестры Элси (1548 м). Самая крупная река города — река Лос-Анджелес, берущая начало в долине Сан-Фернандо (по большей части протекает в искусственном бетонном русле, в засушливое время практически пересыхает).

    Обилие природных зон в районе города (пляжи, дюны, болота, горы, холмы, реки) создаёт условия для существования многообразия биологических сообществ. Лос-Анджелес в основном окружают засушливые субтропические редколесья с обилием ярко цветущих растений. Вместе с тем, чрезвычайная урбанизация ландшафта приводит к уменьшению распространения и исчезновению многих биологических видов из черты города и его окрестностей. Улицы, сады и скверы Лос-Анджелеса засажены многочисленными редкими и экзотическими декоративными растениями, среди которых различные виды пальм, камелии и др.