Leży w południowej części województwa lubelskiego, w środkowej części powiatu biłgorajskiego.
Pod względem historycznym Biłgoraj znajduje się w północno-wschodniej Małopolsce, w dawnej ziemi lubelskiej„Sprawozdania z Czynności i Posiedzeń Naukowych”, R. XXIX, zesz. 2. Łódzkie Towarzystwo Naukowe, Łódź 1975, s. 143., bezpośrednio przy granicy z Rusią Czerwoną. Biorąc pod uwagę regionalizację kraju, stanowi część nakładających się na siebie regionów: Lubelszczyzny, Zamojszczyzny oraz Biłgorajszczyzny.
Pod względem fizycznogeograficznym znajduje się w północnej części Kotliny Sandomierskiej, na pograniczu stanowiącej jej część Równiny Biłgorajskiej oraz Roztocza Środkowego. Jednocześnie leży na największej z bezleśnych wysp Puszczy Solskiej, której lasy otaczają je głównie od strony północnej i wschodniej.
Pod względem odległości od dwóch największych miast południowo-wschodniej Polski, Biłgoraj znajduje się – w linii prostej – ok. 90 km na południe od Lublina i ok. 75 km na północny wschód od Rzeszowa.
Warunki naturalne thumb|Rezerwat Obary w pobliżu Biłgoraja, chroniący torfowiska Puszczy Solskiej, klasyfikowany jako teren ochronny programu Natura 2000. Fotografia wykonana zimą Miasto leży na terenie bagienno-piaskowym.