לוב נמצאת בצפון אפריקה. היא גובלת במזרח במצרים ובסודאן, בדרום בצ'אד ובניז'ר, במערב באלג'יריה ובתוניסיה ובצפון בים התיכון.
לוב היא ארץ מדברית, הנחלקת לשלושה איזורים גיאוגרפיים עיקריים: טריפוליטַנְיָה שבצפון-מערב המדינה, קירנַאִיקה שבצפון- מזרחה והשטחים הנרחבים של מדבר הסהרה שבדרום המדינה ובמרכזה.
טריפוליטניה היא האיזור הפורה ביותר בלוב, ובו חיה מרבית האוכלוסייה. ממזרח לרצועת החוף מתנשאים הרי נֶפוסָה, המגיעים לגובה מירבי של 915 מטרים מעל פני הים. קירנאיקה משתרעת על פני רצועת החוף המזרחית של לוב וכוללת את הרי אַחְ'דר. רמת הסהרה תופסת את רוב שטחי המדינה. בחלקה הדרומי, סמוך לגבול עם צ'אד, נמצאים הרי תיבֶסְתִי. כאן מתנשאת הפסגה הגבוהה ביותר בלוב (2,286 מטרים מעל פני הים). בלוב אין כלל נהרות.