洛杉矶濒临浩瀚的太平洋东侧的圣佩德罗湾和圣莫尼卡湾沿岸，背靠莽莽的圣加布里埃尔山，面积1290.6Km²。大都会区包括洛杉矶县（LosAngles County）、奥兰治县（Orange County）、文图拉县（Ventura County）、河畔县（Riverside County）以及圣伯纳迪诺县（San BernadinoCounty）的一部分，以及贝弗利希尔斯、帕萨迪纳、长滩等80余个大小城镇，总面积10567Km²。城市坐落在三面环山、一面临海的开阔盆地中，除局部为丘陵外，地面平坦，平均海拔84米，最高点埃尔西峰高1548米。

根据美国人口统计，该市总面积为467平方英里（1290.6Km²），其中陆地面积469.1平方英里（1214.9Km²），水域面积29.2平方英里（75.7Km²），占5.86%。其陆地面积列美国大陆各城市第9位。该市南北最大跨度为44英里（71千米），东西最大跨度为29英里（47千米），边界线周长为342英里（550千米）。洛杉矶的最高峰为Lukens山（亦称为埃尔西峰，英文Sister Elsie Peak），海拔5080英尺（1548米），位于圣费尔南多谷（英文San Fernando Valley）的最东北方，是路肯斯(Lukens)山的一部分。洛杉矶河是流经该市的一条主要的季节性河流，发源于圣费尔南多谷。

洛杉矶位于地中海型气候带，气候温和。大体上终年干燥少雨，只是在冬季降雨稍多。全年阳光明媚，基本上极少时间会在冰点以下，因此降雪的机率也不是很高。年降水量仅378㎜，以冬雨为主。洛杉矶日夜温差较大，日间比较炎热，就算是冬季，日间气温经也有摄氏20℃，夏季日间温度则常超越35℃，甚至常因热浪袭击而造成山林失火的情况。平均最高气温23.3℃，平均最低气温13℃。降雨主要集中在冬季和春季，2月是最潮湿的季节。