Lima liegt am Río Rímac im Westen von Peru, zwischen dem Pazifischen Ozean und den Ausläufern der Andenkordilleren, welche die Stadt nach Osten begrenzen, in der trockenen Küstenregion Perus durchschnittlich 30 Meter über dem Meeresspiegel.
Das Gebiet der Region Lima Metropolitana (auch „Municipalidad Metropolitana de Lima“) hat eine Fläche von 2.672,28 Quadratkilometern (Saarland 2.568,65 Quadratkilometer). Davon gehören aber nur 825,88 Quadratkilometer (31 Prozent) zur eigentlichen Stadt, 1.846,4 Quadratkilometer (69 Prozent) bestehen aus Vorstädten und Gebieten mit ländlicher Siedlungsstruktur. Die Metropolregion Groß-Lima (Gran Lima) umfasst die 43 Bezirke der Region Lima Metropolitana und die sechs Bezirke der Region Callao. Sie erstreckt sich über eine Fläche von 2.819,26 Quadratkilometer.
Das Stadtgebiet (área urbana) von Lima besitzt eine Ausdehnung von etwa 60 Kilometern in Nord-Süd-Richtung und rund 30 Kilometern in Ost-West-Richtung. Das dicht bebaute Stadtgebiet wird im Norden grob durch den Fluss Río Chillón und im Süden durch den Fluss Río Lurín begrenzt, im Osten durch den Zusammenfluss des Flusses Santa Eulalia mit dem Hauptfluss Río Rímac. Das Stadtzentrum befindet sich etwa 15 Kilometer landeinwärts am Río Rímac, welchem auch die peruanische Eisenbahn - die zweithöchstgelegene der Welt (höchste ist die Lhasa-Bahn) - und die Hauptstraße in Richtung Ticliopass (4.800 Meter) folgen, dem Hauptzugang zum von den Anden geprägten Zentralland Perus.
Der Río Rímac hat für Lima größte Bedeutung. Er führt der Stadt Trinkwasser aus reinem Gletscherwasser zu. Der Rückzug des Gletschers, der vermutlich durch den Klimawandel bedingt ist, führt dazu, dass es vorübergehend mehr Wasser gibt. Wären die Gletscher nicht mehr vorhanden, versiegte der Fluss und damit die Lebensgrundlage der Menschen, Tiere und Pflanzen in der Region. Zudem stellt das gesamte Einzugsgebiet des Río Rímac durch seine Wasserkraft (beispielsweise die Elektrizitätswerke von Matucana, Huinco und Yanamayo) einen Großteil der Elektrizitätsversorgung für die Stadt sicher.