Львов расположен в западной части Украины, приблизительно в 70 км от границы с Польшей. На территории города выделяются следующие ландшафтные формации: Львовское плато, холмистое Расточье и продолжающая его Давидовская гряда, низменное Грядистое Побужье, Львовская низменность по сторонам долины реки Полтвы.

Город построен на холмах, средняя высота над уровнем моря — 289 метров. Самая высокая точка города — курган Высокий замок (409 м над уровнем моря). Исторически Львов строился вблизи реки Полтвы, но в XIX веке её пустили через главный городской водосток (проходящий сейчас под проспектами Шевченко, Свободы и Черновола).

Через город проходит линия главного Европейского водораздела, который разделяет реки Балтийского и Черноморского бассейнов (соответственно, Западного Буга и Днестра).