Het Départment du Nord-Ouest heeft een oppervlakte van 2.176 km². Het eiland Tortuga maakt deel uit van dit departement. Het departement ligt op het noordelijke, of noordwestelijke, schiereiland. Het is een zeer droge streek, met uitzondering van het eiland Tortuga en het gebied rond Port-de-Paix.
Het departement grenst in het noorden aan de Atlantische Oceaan, in het oosten aan het departement Nord en in het zuiden aan het departement Artibonite en de Golf van Gonâve. In het oosten ligt de Bovenwindse Passage die de eilanden Hispaniola en Cuba scheidt. Op heldere nachten is het mogelijk de provincie Guantánamo van Cuba te zien.
Het Massif du Nord-Ouest (in het Engels "Northwestern mountain range"), met verschillende kleinere bergketens, bedekt het grootste deel van het departement. Het westelijke uiteinde is vrijwel vlak en wordt het Plateau de Bombardopolis genoemd.
Lage gronden worden alleen dicht bij de kust gevonden en de belangrijkste zijn de vallei van Jean Rabel en de vallei van de Trois-Rivières in het noorden en de vlakte van L'Arbre in het zuiden van het departement.
De rivier Trois-Rivières, een van de belangrijkste rivieren van Haïti, ligt in dit departement. Andere kleinere rivieren zijn Jean Rabel en du Mole.