La ville de Los Angeles couvre une superficie totale de 1 302 km², comprenant 1 214 km² de terre et 88 km² d’eau. La ville s’étend sur 71 km du nord au sud et sur 47 km d’est en ouest. Le périmètre de la ville est de 550 km. Los Angeles est à la fois plate et vallonnée. Le point culminant de la ville proprement dite est le mont Lukens à 1 547 m, situé à l’extrémité nord-est de la vallée de San Fernando. L’extrémité est des montagnes de Santa Monica s’étend du centre-ville à l’océan Pacifique et sépare le bassin de Los Angeles de la vallée de San Fernando. Les autres parties vallonnées de Los Angeles comprennent la région du mont Washington au nord du centre-ville, les parties orientales telles que Boyle Heights, le district de Crenshaw autour des collines Baldwin et le district de San Pedro.
Autour de la ville se trouvent des montagnes beaucoup plus hautes. Immédiatement au nord se trouvent les monts San Gabriel, qui sont une zone de loisirs populaire pour les Angelins. Son point culminant est le mont San Antonio, connu localement sous le nom de mont Baldy, qui culmine à 3 068 m. Plus loin, le point culminant du sud de la Californie est la mont San Gorgonio, à 130 km à l’est du centre-ville de Los Angeles, avec une hauteur de 3 506 m.
Le fleuve Los Angeles, qui est en grande partie saisonnière, est le principal drainage de la ville. Il a été redressé et revêtu de 82 km de béton par le Corps du génie de l’armée pour servir de canal de contrôle des crues. Le fleuve commence dans le quartier Canoga Park de la ville, coule à l’est de la vallée de San Fernando le long du bord nord des montagnes de Santa Monica, et tourne vers le sud à travers le centre-ville, coulant à son embouchure dans le port de Long Beach à l’océan Pacifique.
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