Situata al centro della costa mediterranea del Nord Africa, la Libia confina a sud con il Ciad e il Niger, a est con l'Egitto e il Sudan, a ovest con l'Algeria e la Tunisia. La Libia è il quarto paese africano per estensione territoriale ed è circa il triplo della Francia, cioè quasi sei volte l'Italia. Il territorio è diviso in tre regioni principali: la Tripolitania, che costituisce la punta nord occidentale, il Fezzan, tutta la parte che si stende a sud della Tripolitania, e la Cirenaica, cioè la parte orientale. Ciascuna di queste regioni è divisa in varie province.

Il 90% della popolazione si concentra sull'unica fascia costiera che riceve una quantità d'acqua sufficiente per la produzione agricola. La regione nord-orientale del Jebel Akhdar (Montagne Verdi) è la zona più ricca di vegetazione e forse anche la più bella. All'interno, invece, si trova quasi esclusivamente deserto non abitato eccetto che in qualche oasi. All'estremo sud sorgono i Monti Tibesti e l'Altopiano Tassili del Sahara centrale; a ridosso dell'Egitto si estende il Deserto Calanscio, una grande zona di dune irregolari. A ovest, invece, ci sono i deserti Murzuk e Ubari.

In Libia non ci sono fiumi permanenti, ma solo alcuni wadi (piccoli corsi d'acqua), che nascono, scorrono e cambiano direzione secondo le piogge. In seguito alla scoperta di giacimenti acquiferi nel sud, si è iniziata la costruzione di un lunghissimo condotto che fornisce acqua all'agricoltura e all'industria della zona costiera. Il progetto del Grande Fiume Artificiale è uno dei più arditi e dispendiosi della storia.

All'interno la vegetazione cresce praticamente solo nelle oasi, dove dominano incontrastate le palme da dattero, circondate da fichi e da oleandri. Al di fuori delle oasi spunta ogni tanto qualche acacia, unica fonte di ombra delle zone più selvagge. Sulla costa la vegetazione è tipicamente mediterranea, con predominanza di ulivi e di cedri.

La Libia si trova sulla rotta di molti uccelli migratori, ed è quindi possibile vederne di diverse specie. Nelle regioni desertiche il cammello è l'animale più comune, ma nelle zone più isolate si vedono anche gazzelle e fennec notturni (una specie di volpe del deserto dalle grandi orecchie). Diffusi anche scorpioni e rettili vari, come lucertole e serpenti, alcuni dei quali velenosi.

Il clima della Libia è fortemente influenzato dal deserto a sud e dal Mediterraneo a nord. Nella regione costiera la temperatura è piuttosto mite: a Tripoli la media è di 30°C d'estate e di 8°C d'inverno. D'inverno cadono circa 380 mm di pioggia. Nelle pianure centrali domina un clima semi-arido, mentre il deserto a sud è soggetto a lunghi periodi di siccità. Sulla fascia costiera, generalmente umida, soffia a volte in primavera e in autunno il ghibli, un vento secco, caldo e carico di sabbia.