Löbau liegt am Ostrand des Lausitzer Berglandes und des Lausitzer Gefildes.
Der Ort liegt im Löbauer Kessel, im sächsischen Naturraum des Oberlausitzer Gefildes im Grenzbereich zum Oberlausitzer Bergland (Nördlicher Hauptkamm). Kleinräumlich grenzen an: südlich das Kottmarmassiv, östlich das Neißehügelland und nördlich die Gefildezone mit Übergang zur Lausitzer Tiefebene. Das Weichbild der Stadt wird vom östlich gelegenen Löbauer Berg (447 m) mit Schafberg (449 m) geprägt („Löbau – Stadt am Berge“), der Doppelgipfel bildet seit 1974 das 255 ha große Landschaftsschutzgebiet „Löbauer Berg“.
Geologisch herrscht ein Untergrund aus Tiefengestein (Granodiorit) vor. Die Quellkuppe des Doppelberges Löbauer Berg / Schafberg entstand durch Vulkanismus im Tertiär und besteht aus Basaltgestein.
Der Basalt ist zu Blöcken verwittert, die in Form von Gesteinshalden (Blockmeere oder „Steinerne Meere“) weite Flächen des Berges bedecken.
Die tiefer gelegenen Teile des Löbauer Kessels (240 bis 270 m) haben die Gestalt welliger Lößplateaus, die aus Löß- und Auelehm, Sand/Kies sowie Granit bestehen.
Löbau liegt an der Einmündung der Seltenrein ins Löbauer Wasser, einem Zufluss der Spree.
Erwähnenswerte Geotope sind die Georgewitzer Skala (ein felsiger Taleinschnitt des Löbauer Wassers nördlich der Stadt) sowie die westlich gelegene Hügelkuppe des Bubenik (auch Kleine Landeskrone – 376 m), dessen Basaltquellkuppe seit 1938 Naturdenkmal ist.
Ferner zählt auch zur Stadt Löbau der 10 km südlich gelegene Berg Kottmar
(583 m), an dessen Westhang sich eine der drei Spreequellen befindet.
