La Guyane française a une frontière commune avec deux pays : le Surinam à l'ouest, et le Brésil à l'est et au sud. Au nord se trouve l'océan Atlantique. Il y a deux grandes régions géographiques : une bande côtière où vit la majorité de la population et une forêt tropicale dense qui s'élève progressivement jusqu'aux modestes sommets des montagnes Tumuc-Humac le long de la frontière brésilienne.
Le point culminant du département est Bellevue de l'Inini (3°35′N 53°31′W / 3.583°N 53.517°W / 3.583 ; -53.517 (Bellevue de l'Inini)) dans la commune de Maripasoula ; il est haut de 851 m (2 792 ft). Les autres montagnes sont le Mont Machalou (782 m), le Pic Coudreau (711 m) et le Mont St Marcel (635 m).
Plusieurs petites îles se trouvent au large des côtes, les trois Îles du Salut qui comprennent l'Île du Diable, et les Îles du Connétable isolées plus loin le long de la côte vers le Brésil.
Le barrage du Petit-Saut, au nord du département, forme un lac artificiel et fournit de l'hydroélectricité. La Guyane compte de nombreuses rivières.
C'est le département français qui a le plus de forêts, 98% du département est couvert d'une forêt équatoriale.
Depuis 2007 [mise à jour], la forêt tropicale amazonienne, située dans la partie la plus méridionale du département, est protégée en tant que Parc de l'Amazonie guyanaise, l'un des dix parcs nationaux de France. Le territoire du parc couvre quelque 33 900 kilomètres carrés (13 100 mi2) sur les communes de Camopi, Maripasoula, Papaïchton, Saint-Élie et Saül.
Climat
Le climat de Cayenne, à une altitude de 9 m au-dessus du niveau de la mer, est de sous-type Af (climat de forêt tropicale humide, également appelé climat équatorial) dans la classification climatique Köppen.
La température moyenne annuelle à Cayenne est de 26,7 °C (80,1 °F). Le mois le plus chaud, en moyenne, est septembre, avec une température moyenne de 27,2 °C (81,0 °F). Le mois le plus frais est janvier, avec une température moyenne de 26,1 °C (79,0 °F).
La quantité moyenne de précipitations pour l'année à Cayenne est de 3 205,5 mm (126,2 in). Le mois le plus pluvieux en moyenne est le mois de mai avec 513,1 mm de précipitations. Le mois le moins pluvieux est le mois de septembre, avec une moyenne de 43,2 mm (1,7 in). Il y a une moyenne de 201 jours de précipitations, le mois de mai ayant enregistré le plus de précipitations avec 27 jours et le mois de septembre le moins de précipitations avec 5 jours.