Der Landkreis Cham ist der östlichste Landkreis des Regierungsbezirks Oberpfalz in Ostbayern. Im Süden und Südosten grenzt er an die niederbayerischen Landkreise Straubing-Bogen und Regen. Weitere Nachbarn sind die Oberpfälzer Landkreise Regensburg im Südwesten sowie Schwandorf im Westen und Nordwesten.
Geographisch gehört das Kreisgebiet fast völlig den Großlandschaften des Oberpfälzer und des Bayerischen Waldes an, die hier durch die Cham-Further Senke voneinander getrennt werden. Der Fluss Regen durchzieht den Kreis von Südosten nach Westen. Eine geologische Besonderheit ist der so genannte Pfahl, eine kristalline Verwerfung quer durch den gesamten bayerischen Wald. Das Kreisgebiet ist nahezu identisch mit dem Gebiet des Naturparks Oberer Bayerischer Wald.
Mit einer Fläche von 1.511,87 km² nimmt der Landkreis Cham unter den 71 Landkreisen Bayerns die fünfte Stelle, unter den sieben Landkreisen der Oberpfalz die erste Stelle ein. Die durchschnittliche Gebietsfläche der bayerischen Landkreise beträgt 985 km².