Avec plus de 26 000 habitants/km², Levallois-Perret détient le record national de densité ; elle compte parmi les communes les plus densément peuplées d'Europe et est classé 13ème au niveau mondial

Levallois occupe la rive droite de la Seine. Il est limité au nord par Clichy, à l'est par le 17^e arrondissement de Paris et au sud par Neuilly-sur-Seine.

Aux abords immédiats de la Seine, les quartiers Front de Villiers, Front-de-Seine et Collange ont une altitude (25 mètres) qui est la moins élevée de la ville. En progressant vers l'est (Front de Paris, Eiffel, Front de Neuilly) et le versant occidental de la colline de Montmartre l'altitude culmine en revanche à 33 mètres.

La profondeur quasi nulle de la nappe phréatique dans les quartiers qui bordent la Seine les rend vulnérables aux crues qui ont à plusieurs reprises, entre autres en 1830 et 1910, affecté la commune. Ces quartiers sont aujourd'hui bénéficiaires du Plan de prévention du risque inondation.

La partie septentrionale de l'île de la Jatte appartient au territoire de Levallois. Elle abrite un rucher dont la production, le miel de Levallois, fait partie du patrimoine culinaire local. Les abeilles apparaissent d'ailleurs dans les armoiries de la ville, même si la signification héraldique qui leur est attribuée renvoie aux nombreuses industries présentes sur le territoire de la ville au tournant du siècle et jusqu'aux années 1970.

La commune est située au centre d'une grande cuvette sédimentaire: le bassin parisien. Elle comporte en profondeur une épaisse couche de craie crétacé et de roches du tertiaire d'une épaisseur de 500 mètres. Sur la totalité de la commune, la partie supérieure du sous-sol date du Quaternaire. Il s'agit d'alluvions de la Seine. C'est dans ces couches que les ingénieurs Belgrand ^[2], Martin et Reboux découvrirent des ossements d'animaux, parmi lesquels des éléphants, des mammouths, des hippopotames, des rhinocéros, des tigres, des loups, des rennes, des cerfs…

Suite à la visite de l'une des nombreuses sablières exploitées à Levallois, ces géologues et préhistoriens ont pu décrire une méthode de taille du silex appelée depuis méthode Levallois.

Levallois-Perret a un climat de type océanique dégradé : l'influence océanique est prépondérante et se traduit par des étés relativement frais (19 °C en moyenne), des hivers doux (4 °C en moyenne) avec des pluies fréquentes en toute saison et un temps changeant. Les pluies y sont plus faibles (641 millimètres) que sur les côtes et quelques pointes de température sont à signaler au cours d'un même hiver ou d'un même été. Le climat de la ville connaît par ailleurs une certaine variabilité d'une année sur l'autre, certains hivers ou étés pouvant connaître des pics de température ou de précipitations.