Los Angeles’ totale areal er 1 290,6 km², hvorav 1 214,9 km² er land. 5,86 % av byens areal er vann. Byens høyeste punkt er Sister Elsie Peak på ca. 1500 meter. Sister Elsie Peak er en del av fjellet Mt. Lukens, som ligger nordøst i San Fernando-dalen. Los Angeles-elven er en elv som renner fra San Fernando-dalen, gjennom bykjernen og ut i Stillehavet. Nesten hele elven er lagt i betong.