Лос Анджелис има неправилна форма и заема обща територия от 1291 km², от които 1215 km² суша и 76 km² вода. Приблизителните размери на града са 70 km в направление север-юг и 45 km в направление изток-запад, а периметърът му е около 550 km. Това е единственият голям град в Съединените щати, пресечен от планинска верига.
Градът е разположен на брега на Тихия океан и по-голямата част от него се намира в крайбрежната Лосанджелиска долина. Северно и източно от центъра се намират постепенно издигащи се към вътрешността възвишения, като най-високата точка в рамките на града е с надморска височина 1550 m. Най-голямата река е едноименната Лос Анджелис ривър, която се оттича от хълмовете Сими Хилс и веригата Санта Сусана Маунтан на северозапад от Канога Парк в рамките на самия град, а оттокът ѝ е силно сезонен. Почти цялото ѝ течение е коригирано с бетонно корито.
Лос Анджелис е разположен в близост до големия разлом Сан Андреас, област на силна сеизмична активност, като годишно в града се регистрират около 10 хиляди земни труса. По-тежките земетресения, засегнали града през 20 век, са Нортриджкото (1994), Уитиърнароуското (1987), Санфернандското (1971) и Лонгбийчкото земетресение (1933). Някои части на града могат да бъдат засегнати и от тихоокеански вълни цунами, както след Чилийското земетресение през 1960.
