Der Landkreis Osterholz liegt im nördlichen Niedersachsen. Er grenzt im Westen an die Weser (westlich davon der Landkreis Wesermarsch), im Norden an den Landkreis Cuxhaven, im Osten an den Landkreis Rotenburg (Wümme) und im Süden an den Landkreis Verden und das Stadtgebiet von Bremen (und damit an das Land Bremen). Kreisstadt ist Osterholz-Scharmbeck.
Der Norden und Westen des Landkreises wird von der Osterholzer Geest geprägt, der Osten gehört zur Niederung von Hamme und Wümme mit dem großenteils seit dem 18. Jahrhundert kultivierten Teufelsmoor. Im äußersten Westen erstreckt sich der Landkreis mit der Osterstader Marsch bis an die Weser.
Die Kreisstadt Osterholz-Scharmbeck und die Gemeinde Lilienthal sind Standorte von Akutkrankenhäusern. In Osterholz-Scharmbeck handelt es sich dabei um das Kreiskrankenhaus Osterholz, in Lilienthal bestehen die Residenz-Kliniken, die sich früher in kirchlicher Trägerschaft befanden und nun nach einem Insolvenzverfahren von einem privaten Träger übernommen wurden.