Der Stadtkern und die Vororte von Los Angeles liegen in einer hügeligen Küstenregion durchschnittlich 32 Meter über dem Meeresspiegel. Im Westen und Süden grenzt die Stadt an die Bucht von Santa Monica des Pazifischen Ozeans. Im Osten und Norden ist sie von Gebirgsketten umgeben. Ebenfalls im Norden der Stadt liegt das San Fernando Valley, in dem ein Drittel der Bewohner überwiegend in Einfamilienhäusern lebt. Das Tal ist durch den Griffith Park und die Santa Monica Mountains von Hollywood und der Innenstadt abgeschnitten.
Das über 1.290,6 Quadratkilometer verteilte Stadtgebiet von Los Angeles (71 Kilometer in Nord-Süd-Richtung und 47 Kilometer in Ost-West-Richtung) ist durch ein System von Schnellstraßen (Freeways, Stahl- und Betonkonstruktionen) miteinander verbunden. Die Auto- (größte Kraftfahrzeugdichte der Welt) und Industrieabgase sind zu einem drängenden Umweltproblem (Smog) geworden. Los Angeles hat eines der größten Smogprobleme in den USA.
Die Stadt wird manchmal als horizontal city bezeichnet, da sie relativ wenige Wolkenkratzer besitzt und das gesamte Stadtgebiet sehr weitläufig ist. Hohe Grundstückspreise führen im Zentrum von Los Angeles trotzdem dazu, dass Hochhäuser sich dort inzwischen auch durchsetzen.
In der Metropolregion Los Angeles befinden sich 173 selbständige Städte. Sie umfasst die Counties Los Angeles, San Bernardino, Riverside, Ventura und Orange. Die Metropolregion erstreckt sich somit bis an die Grenze von Nevada und hat eine Fläche von 87.972 Quadratkilometer. Dabei wird nur ein Bruchteil dieser Fläche städtischer Nutzung übergeben; der größte Teil der Fläche besteht aus unbewohnten Teilen der Mojave Wüste, sowie Joshua Tree National Park, der sich in Riverside und San Bernardino Countys befindet.