Северный Рейн-Вестфалия находитcя на западе Германии и граничит с Бельгией (99 км), Нидерландами (387 км), а также с федеральными землями Нижняя Саксония (583 км), Гессен (269 км) и Райнланд-Пфальц (307 км).
Центром Северного Рейна-Вестфалии является Рейнско-рурский регион, состоящий из крупных городов Дюссельдорфa, Кёльнa и индустрального Рурского региона, включающего, среди прочих, города Боттроп, Гельзенкирхен, Херне и Реклингхаузен на севере, Дортмунд, Хаген и Хамм на востоке, Бохум, Эссен, Оберхаузен и Мюльхайм в центре, Дуйсбург и Мёрс на западе.
Северную часть федеральной земли составляет Вестфальская низменность (нем. Westfälisches Tiefland). На северо-востоке находится южная часть Тевтобургского леса. Крупнейшие города севера — Мюнстер, Оснабрюк и Минден, востока — Падерборн, Липпштадт и Билефельд.
С юга в Северный Рейн-Вестфалию входят Зауэрланд, Зигерланд и Бергская земля. Это малонаселенные холмистые регионы, крупнейшими городами которых являются Кёльн, Бонн, Леверкузен, Бергиш Гладбах, Вупперталь, Ремшайд, Золинген.
На западе, на границе с Нидерландами и Бельгией, находятся Нижнерейнский регион (нем. Niederrhein) и Айфель. В этой части находятся Ахен, Мёнхенгладбах, Крефельд.
Планиметрический центр Северного Рейна-Вестфалии имеет координаты 51°28′7″ с. ш. 7°33′3″ в. д. (G) и находится на юге дортмундского района Аплербек, на северной опушке швертского леса.
Крупнейшие реки, протекающие по территории земли — Рейн, Рур, Эмс, Липпе и Везер. Река Падер, протекающая по г. Падерборн, считается самой короткой рекой Германии.