Little Rock leży na południowym brzegu rzeki Arkansas w centrum stanu Arkansas. Przez miasto przebiegają wododziały Fourche Creek i Rock Creek, wpływające do rzeki. Zachodnia strona Little Rock znajduje się u podnóży gór Ouachita. Na północ od granic administracyjnych Little Rock ulokowana jest góra Pinnacle, a także jezioro Maumelle, skąd czerpana jest większość wody pitnej.
Po drugiej stronie rzeki Arkansas położone jest miasto North Little Rock, które jest niekiedy błędnie uznawane za część Little Rock. Pierwotnie było ono bowiem jedną z dzielnic Little Rock, zwaną Argenta. Sąd Najwyższy Arkansas zezwolił w 1904 roku na włączenie tejże dzielnicy w granice sąsiedniego North Little Rock„North Little Rock (Pulaski County)”, w: Encyclopedia of Arkansas, 2007-11-14. [dostęp 2008-05-15]..
Klimat Little Rock znajduje się w strefie wilgotnego klimatu subtropikalnego (klasyfikacja Köppena – Cfa)„World Map of Köppen–Geiger Climate Classification”. [dostęp 2011-03-20].. Okresy letnie są gorące i mokre, zaś zimowe łagodne, z niewielkimi opadami śniegu.
Najwyższą odnotowaną temperaturą w historii Little Rock było 46 °C (114 °F) z 3 sierpnia 2011 roku, zaś najniższą –12 °C (25 °F) z 12 lutego 1899 roku, w: National Weather Service North Little Rock.