Mapa físico de Heilongjiang
Heilongjiang está ubicada al norte de la región Noreste del país, limitando al norte con el río Amur que la separa de Rusia, al este con el río Ussuri y el lago Janka, que igualmente la separan de Rusia, al sur con Jilin y al oeste con Mongolia Interior. Con 452 645 km² es la séptima división más extensa por detrás de Sinkiang, Tíbet, Mongolia Interior, Qinghai, Sichuan y Gansu y con 80 hab/km², la sexta menos densamente poblada, por delante de Gansu, Mongolia Interior, Sinkiang, Qinghai y Tíbet, la menos densamente poblada.
Heilongjiang tiene una variada topografía. La mayor parte de la provincia está dominada por cadenas montañosas como el Gran Khingan y el Pequeño Khingan y las montañas de Zhangguangcai, Laoye, y Wanda. La cumbre más alta es el Monte Datudingzi (1.690 metros), en la frontera con Jilin.
En el interior de la provincia, que es relativamente llano y de escasa altitud, se encuentran los ríos Songhua, Nen y Mudan, tributarios del Amur. La frontera norte forma parte del Valle del Amur.
El lago Xingkai (o Khanka) se encuentra en la frontera con el Sujeto Federal ruso de Primorsky Krai.