La provincia di Pisa si estende dalla piana alluvionale del fiume Arno, nell'ovest della Toscana, fino al Mar Ligure e ha la forma di una pistola rovesciata. Comprende, oltre il capoluogo, Pisa, trentatré comuni. Confina a N con la Provincia di Lucca, a E con la Provincia di Firenze e la Provincia di Siena, a S con la Provincia di Grosseto, e a W con la Provincia di Livorno e con il Mar Tirreno. La zona Nord della provincia è attraversata dalla catena montuosa anti-appenninica dei Monti Pisani (Monte serra, 917m), adiacenti alla estrema propaggine delle alpi apuane. Lo sbocco sul mare, il Litorale Pisano, si protende per circa 15 km, e comprende le seguenti località: 3 nel comune di Pisa (Calambrone, Tirrenia,Marina di Pisa, più parte della spiaggia del parco) nessuna per il comune di San Giuliano Terme, che amministra circa 1km di costa protetta dal parco 1 nel comune di Vecchiano (Marina di vecchiano), peraltro anch'essa inserita nel parco.

La zona di Pisa è pianeggiante, ma, scendendo di pochi km a sud, ci si trova immersi nel più classico dei paesaggi toscani, fatto di colline, boschi e antichi borghi. Per quanto riguarda la zona sud della provincia, questa è caratterizzata da un ambiente collinare: la Valdera e l'Alta Val di Cecina (in cui peraltro sorge la città di Volterra), famoso anche per le sue caratteristiche boracifere (sono presenti i cd Lagoni). Il monte Aia dei Diavoli (mt. 867) è il rilievo maggiore del sud della provincia.

Nel periodo fascista subì una modifica aggiungendo alla sua giurisdizione i comuni di Santa Maria a Monte, Castelfranco di Sotto, San Miniato, Santa Croce sull'Arno e Montopoli prima soggetti alla Provincia di Firenze, ma perdendo altri comuni a scapito della Provincia di Livorno.