Está ubicado en el extremo sur del país, en gran parte al sur de la línea ecuatorial, en la región Amazonia. Limita al norte con Caquetá y Vaupés, al este con Brasil, al sur con Perú y al oeste con Putumayo. Con 110 000 km² es el departamento más extenso y el cuarto menos poblado.
Se compone en su totalidad de territorio de la Selva Amazónica. La porción meridional del departamento, al sur del río Putumayo, se denomina «Trapecio amazónico», el cual incluye la triple frontera de Colombia, Perú y Brasil, y su límite sur es el río Amazonas.
