จังหวัดนี้ตั้งอยู่ที่ละติจูดที่ 14 องศาเหนือ และลองจิจูดที่ 101 องศาตะวันออก มีระยะทางจากจากกรุงเทพมหานครตามถนนรังสิต-นครนายก (ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 305) ผ่านอำเภอองครักษ์ถึงจังหวัดนครนายก ระยะทาง 105 กิโลเมตร มีเนื้อที่ประมาณ 2,122 ตารางกิโลเมตรหรือประมาณ 1,326,250 ไร่

สภาพโดยทั่วไปเป็นที่ราบ ทางตอนเหนือและตะวันออกเป็นภูเขาสูงชันในเขตอำเภอบ้านนา อำเภอเมืองนครนายก และอำเภอปากพลี ส่วนหนึ่งอยู่ในเขตอุทยานแห่งชาติเขาใหญ่ซึ่งเป็นเขตรอยต่อกับอีก 3 จังหวัด ได้แก่ สระบุรี นครราชสีมา และปราจีนบุรี ซึ่งมีเทือกเขาติดต่อกับทิวเขาดงพญาเย็น มียอดเขาสูงที่สุดของจังหวัดคือ ยอดเขาเขียวมีความสูงจากระดับน้ำทะเล 1,351 เมตร ส่วนทางตอนกลางและตอนใต้เป็นที่ราบอันกว้างใหญ่ เป็นส่วนหนึ่งของที่ราบสามเหลี่ยมลุ่มแม่น้ำเจ้าพระยาที่เรียกว่า "ที่ราบกรุงเทพฯ"

ลักษณะดินเป็นดินปนทรายและดินเหนียวเหมาะแก่การ ทำนา ทำสวนผลไม้ และการอยู่อาศัย