Le département du Nord-Ouest a une superficie de 2 176 km². L'île de la Tortuga fait partie de ce département. Le département se trouve dans la péninsule du Nord ou Nord-Ouest. C'est une région très sèche, à l'exception de l'île de la Tortue et de la zone autour de Port-de-Paix.
Le département est bordé au nord par l'océan Atlantique, à l'est par le département du Nord et au sud par le département de l'Artibonite et le golfe de la Gonâve. À l'est se trouve le Passage du Vent qui sépare les îles d'Hispaniola et de Cuba. Par nuit claire, il est possible de voir la province cubaine de Guantánamo.
Le Massif du Nord-Ouest (en anglais, "Northwestern mountain range"), avec plusieurs petites chaînes de montagnes, couvre la majeure partie du département. Son extrémité ouest est presque plate et s'appelle le Plateau de Bombardopolis.
Les basses terres ne se trouvent que près de la côte et les plus importantes sont la vallée Jean Rabel et la vallée des Trois-Rivières au nord, et la plaine de l'Arbre au sud du département.
La rivière Trois-Rivières, l'une des plus importantes d'Haïti, se trouve dans ce département. D'autres rivières plus petites sont Jean Rabel et du Mole.