แคว้นโกกิมโบเป็นส่วนที่แคบที่สุดของประเทศชิลี มีลักษณะภูมิประเทศส่วนใหญ่เป็นภูเขา ทอดตัวยาวจากทิศเหนือลงใต้ ส่วนหนึ่งของเทือกเขาแอนดีส ภูเขาในแคว้นนี้ตั้งอยู่ใกล้กับชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกมากกว่าแคว้นใด ๆ ของชิลี มีหุบเขาอยู่ทั่วไป พื้นที่ส่วนใหญ่แห้งแล้งคล้ายทะเลทราย มีไม้พุ่มขึ้นอยู่ทั่วไป มีเพียงบางแห่งที่สามารถปลูกพืชสวนได้ เช่น โอบาเย และตอนใต้ของโกกิมโบ ทางตอนเหนือเป็นที่ตั้งของหอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์หลายแห่ง ที่สำคัญได้แก่ หอดูดาวลาซียา แม่น้ำสายหลักของแคว้นได้แก่ แม่น้ำเอลกี (Río Elqui) ตอนเหนือของแคว้น ซึ่งมีอ่างเก็บน้ำหลายแห่ง หล่อเลี้ยงพื้นที่เกษตรกรรมที่เลียบไปตลอดแม่น้ำ ไหลลงมหาสมุทรแปซิฟิกที่เมืองลาเซเรนา และแม่น้ำโชอาปา (Río Choapa) หล่อเลี้ยงทางตอนใต้

พื้นที่ส่วนใหญ่ของแคว้นมีสภาพอากาศอย่างทะเลทราย ซึ่งมีปริมาณน้ำฝนน้อย