Die Stadt verfügt über ein ausgedehntes Autobahnnetz und ist ein bedeutender Eisenbahnknotenpunkt (transkontinental und regional). Der Hafen Long Beach in der Bucht von San Pedro macht den größten Frachtumsatz der Pazifikküste innerhalb der USA.
Über das Autobahnnetz ist Los Angeles mit allen größeren Städten des Landes verbunden. Auf der Interstate 5 kann man von Los Angeles aus die im Norden gelegene Stadt Seattle im Bundesstaat Washington und in südliche Richtung San Diego, die zweitgrößte Stadt Kaliforniens, erreichen. Der Pacific Coast Highway (State Highway 1) verläuft in Richtung Norden entlang der kalifornischen Küste nach Santa Barbara und San Francisco. Die Interstate 10 verbindet Los Angeles mit Phoenix (Arizona), die Interstate 15 mit Las Vegas (Nevada) und Salt Lake City (Utah) und die Interstate 40 mit Oklahoma City (Oklahoma) und Memphis (Tennessee).
Der Großraum Los Angeles besitzt zahlreiche Flughäfen. Der größte ist der Los Angeles International Airport (LAX), der im Westen des Stadtgebietes liegt. Dort werden jährlich rund 55 Millionen Passagiere abgefertigt; damit ist er der Flughafen mit dem weltweit fünftgrößten Passagieraufkommen (nach Atlanta, Chicago, London und Frankfurt). Long Beach (Daugherty Field), Orange County (John Wayne), Burbank (Bob Hope) und Ontario bedienen vor allem nationale Ziele und sind merklich kleiner. Santa Monica (Municipal), Torrance (Zampernini Field) und Van Nuys Airport bedienen den Privatflugverkehr.
Die Eisenbahngesellschaft Amtrak betreibt Züge von Los Angeles über Van Nuys nach Bakersfield. In Los Angeles besteht eine Umsteigemöglichkeit in den PACIFIC Surfliner, der von San Diego über Los Angeles nach San Luis Obispo fährt. Der Bahnhof Union Station in Los Angeles ist Endstation zahlreicher Hauptstrecken, die durch den südlichen Teil der Rocky Mountains führen. Er ist auch der am weitesten im Süden gelegene Bahnhof der Strecke entlang der Westküste nach Seattle. Das regionale Bahnnetz Metrolink im Süden Kaliforniens verbindet Los Angeles mit allen wichtigen Städten der Region. Von der Union Station gelangt man über die U-Bahn (Rote Linie) nach Downtown, Hollywood und weiteren Orten.