Située sur la Côte atlantique française, la Loire-Atlantique est limitrophe des départements du Morbihan au Nord-Ouest, d'Ille-et-Vilaine au Nord, de Maine-et-Loire à l'Est et de Vendée au Sud. La côte ouest est bordée par l'océan Atlantique. Le département est traversé par la Loire, qui se jette dans l'océan au niveau de Saint-Nazaire.
Avec un point culminant de 115 m d'altitude, la Loire-Atlantique est le département le moins élevé de France.