Llívia est située sur une plaine d'altitude du versant sud du massif montagneux des Pyrénées. L’altitude du territoire varie d'environ 1 200 m au bord du Sègre à 1 578 m au nord en direction du pic des Mauroux.
La ville est située à 1 202 mètres d'altitude, au confluent du Carol et du Sègre, un affluent de l'Èbre, qui la sépare de sa ville sœur française Bourg-Madame, dans les Pyrénées-Orientales.
