Город расположен на прибрежной низменности, прилегающей к заливу Санта-Моника, и окаймленной горами Сан-Габриель, Санта-Моника и Санта-Ана. 

По данным бюро переписи населения США, общая площадь Лос-Анджелеса составляет 1290,6 км², в том числе 1214,9 км² — суша и 75,7 км² — 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.