Los Ángeles tiene un área total de 1.290.6 km², de los cuales 1.214,9 km² son tierra, y el resto (75,7 km²), agua. Esto la convierte en la decimocuarta ciudad más extensa de los Estados Unidos. Mide 71 km en sentido longitudinal y 47 km de este a oeste. El perímetro de la ciudad es de 550 km.
El punto más alto es el Monte Lukens, también llamado Pico Sister Elsie. Está ubicado al noreste del Valle de San Fernando y posee una altura de 1.548 m. El principal río es el río Los Ángeles, que comienza en el barrio Canoga Park y es en gran parte estacional. Está casi totalmente revestido de hormigón y desemboca en el Océano Pacífico.
Los Ángeles está expuesta a los terremotos debido a su ubicación en el Cinturón de Fuego del Pacífico. Su inestabilidad geológica produce varias fallas debajo y sobre la superficie terrestre, las cuales generan aproximadamente 10.000 temblores sísmicos cada año. Una de las principales fallas es la Falla de San Andrés. Ubicada en el límite entre la Placa Pacífica y la Norteamericana, se piensa que será la causante de un próximo terremoto al sur de California. Los principales terremotos ocurridos en el área incluyen el Northridge en 1994, el de Whittier Narrows en 1987, el de San Fernando en 1971 cerca de Sylmar y el de Long Beach en 1933.
No obstante, la mayoría de los movimientos sísmicos son de baja intensidad y generalmente no son percibidos por las personas. Algunas partes de la ciudad son además vulnerables a tsunamis provenientes del Océano Pacífico; considerando aquél producido por el Terremoto de Valdivia de 1960 en Chile, que dañó algunos puertos.
La ciudad tiene un clima mediterráneo o zona subtropical. Generalmente el clima es templado y seco en todas las estaciones, con 325 días de luz solar al año. Las brisas del Océano Pacífico tienden a mantener a las comunidades de la costa de Los Ángeles más frescas en verano y templadas en invierno, que las del interior; en verano, puede llegar a haber diferencias de temperatura de 10 °C entre unas y otras.
Las temperaturas en verano pueden alcanzar los 32 °C (90 °F), pero el promedio es de 27 °C (82 °F), con mínimos durante la noche de hasta 17 °C (63 °F). Las temperaturas diurnas en invierno son generalmente de 18 °C (65 °F) de promedio, con mínimos nocturnos de 10 °C (48 °F) y durante esta estación son frecuentes las lluvias. El mes más caluroso es agosto, seguido por julio y septiembre.
La temperatura media en enero es de 13 °C (57 °F) y 22 °C (73 °F) en julio. La más alta temperatura registrada en los extremos de la ciudad fue de 48,3 °C (119 °F) en Woodland Hills el 22 de julio de 2006; la más baja temperatura fue -7,8 °C (18 °F) en 1989, en Canoga Park. La más alta temperatura registrada en el centro de la ciudad fue de 44,4 °C (112 °F) el 26 de junio de 1990, y la más baja fue de -5 °C (24 °F) el 9 de enero de 1937.
Las precipitaciones ocurren mayoritariamente en los meses de invierno y primavera (siendo febrero el mes más lluvioso) con grandes variaciones en la severidad de las tormentas año a año. Los Ángeles tiene un promedio de precipitación de 381 mm (15 pulgadas) al año. Generalmente no nieva en la cuenca de la ciudad, pero las montañas ubicadas en los límites de esta reciben nieve todos los años.
La nieve es un fenómeno bastante raro en la cuenca de la ciudad. La nevada más grande registrada, ocurrió el 15 de enero de 1932, y alcanzó una altura de 5 cm.
Mes | Ene | Feb | Mar | Abr | May | Jun | Jul | Ago | Sep | Oct | Nov | Dic | Año |
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Temperatura máxima promedio °C (°F) | 18 (65) | 18 (66) | 20 (68) | 21 (70) | 22 (73) | 24 (76) | 27 (82) | 27 (82) | 27 (81) | 25 (77) | 22 (73) | 20 (68) | 22 (73) |
Temperatura mínima promedio °C (°F) | 8 (48) | 9 (49) | 10 (50) | 11 (53) | 13 (56) | 14 (58) | 16 (62) | 17 (63) | 16 (61) | 14 (58) | 11 (53) | 10 (50) | 12 (55) |
Precipitaciones mm (p.) | 68,6 (2,7) | 78,7 (3,1) | 55,9 (2,2) | 33,0 (1,3) | 7,6 (0,3) | 2,5 (0,1) | 0,0 (0,0) | 0,0 (0,0) | 5,1 (0,2) | 10,2 (0,4) | 27,9 (1,1) | 63,5 (2,5) | 355,6 (14,0) |
El área de Los Ángeles es rica en especies de plantas nativas, debido en parte a su diversidad de hábitats, que incluyen playas, pantanos y montañas. El ambiente botánico más común son los matorrales costeros, los cuales cubren las laderas. Algunos nombres de plantas nativas son: amapola de California (Eschscholzia californica), amapola matilija (Romneya Harvey), toyon (Heteromeles arbutifolia), roble costero (Quercus agrifolia) y centeno gigante salvaje (Secale cereale). Muchas de estas especies, como el girasol de Los Ángeles (Helianthus nuttallii), son tan escasas que han sido consideradas en peligro de extinción. Aunque no es nativa del área, la flor oficial de la ciudad es la llamada ave del paraíso.
Debido a su geografía y a la dependencia de los automóviles como medio de transporte principal, la ciudad sufre de una severa contaminación atmosférica en forma de smog. El aire de la Cuenca de Los Ángeles y el Valle de San Fernando es suceptible a la inversión térmica que retiene los gases de automóviles, y de motores diésel de camiones, barcos y locomotoras, como también de industrias y otras fuentes.
A diferencia de otras ciudades que cuentan con lluvias que eliminan el smog, Los Ángeles sólo recibe 381 mm de lluvia cada año, por lo que la contaminación suele acumularse durante varios días. Esto preocupó mucho al estado de California, que exigió a sus habitantes adquirir vehículos con baja emisión de gases, dando como resultado una paulatina reducción en los niveles de contaminación durante las últimas décadas. El número de alertas medioambientales ha disminuido de aproximadamente cien cada año durante la década de 1970, a prácticamente cero en el nuevo milenio.
A pesar de este avance, el reporte anual de la American Lung Association de 2006 ubica a la ciudad dentro de las más contaminadas del país. Además, el agua subterránea de la ciudad está siendo afectada por la creciente contaminación mediante MTBE de gasolineras y percloratos de motores de cohete. Siendo la contaminación uno de sus principales problemas, la ciudad continua esforzándose para mejorar la calidad del aire y agua.
La ciudad está dividida en numerosos barrios, muchos de los cuales fueron pueblos anexados por el crecimiento de la ciudad. Existen varias ciudades independientes alrededor de Los Ángeles, las cuales son consideradas como parte de ésta debido a su proximidad. Generalmente, la ciudad es dividida en las siguientes áreas: Centro de la ciudad, Este de Los Ángeles, no confundir con Este de L.A. que es una comunidad no incorporada al condado de Los Ángeles, Sur de Los Ángeles, el Puerto, Hollywood, Wilshire, Oeste de Los Ángeles, el Valle de San Fernando, Valle de San Gabriel, Valle de Santa Clarita y Valle de Antelope.
Algunas conocidas comunidades de la región de Los Ángeles incluyen el distrito comercial central, Century City, Los Feliz, Silver Lake, Hollywood, Hancock Park, Koreatown, y los opulentos barrios y pueblos de la zona oeste de Los Ángeles como Bel Air, Westwood y Brentwood.