本州の中部に位置し、周囲8県に隣接する東西約128km、南北約220km、面積13,560.55km²、東西に短く南北に長い地形である。面積は、北海道を除く46都府県のうち、岩手県、福島県に次ぐ面積を持つ。これは東京、神奈川、埼玉、千葉の面積の合計に近い。長野県は群馬県・埼玉県・山梨県・静岡県・愛知県・岐阜県・富山県・新潟県と接し、「日本で最も多くの都道府県と隣接する県」でもある。

中央部を高地が占める山地型の地形ではなく、むしろ北西の県境の飛騨山脈、南東の県境の赤石山脈の標高が高く、間の幾つかの盆地（伊那谷、松本盆地、佐久盆地、長野盆地など）を中心とした地域が形成されている。大半は内陸部の地域であるが、北部（長野盆地、白馬岳麓）は完全な日本海側の地域である。分水嶺がその中央を走っているために、県内の南半分は太平洋側に近く飯伊地域の多くは東京都（伊豆諸島、小笠原諸島を除く）よりも南であり、県の最北端は群馬県の最北端よりも南である。自然が豊富であり、地域医療への関心も高いことから平均寿命も長く、世界一の長寿国日本の都道府県で一番の長寿を誇る。「日本の屋根」と呼ばれ、県境に標高2000m～3000m級の高山が連なり、内部にも山岳が重なりあう急峻で複雑な地形である。数多の水源を擁し、天竜川（南信、諏訪湖を水源とし伊那谷を通る）、木曽川（中信）は南下して太平洋へ、千曲川（東信、北信）、犀川（中信）は長野市で合流して北上し、県境を越えて信濃川と名称を変えて日本海へ、姫川（中信）も日本海に流れている。長野県に流域をもつ一級河川としては、信濃川水系・天竜川水系・木曽川水系・姫川水系・矢作川水系・富士川水系・関川水系・利根川水系がある。

本州を縦断する糸魚川静岡構造線（糸静線）が県下を南北に走る。糸静線の東側は第三紀層が分布している。糸静線沿線の諏訪湖から中央構造線が南に走る。

内陸側なので、気象など自然地理学では、中部地方の中央高地として分類される。

最大人口は長野市の383,316人、最大面積は松本市の919.35km²、最大人口密度は岡谷市の640.76人/km²。