Der im Nordwesten Niedersachsens gelegene Landkreis Wesermarsch grenzt im Westen an die kreisfreie Stadt Oldenburg (Oldb) und an die Landkreise Ammerland und Friesland sowie den Jadebusen, im Norden stößt er an die Nordsee, im Osten bildet die Weser die Grenze zu den Landkreisen Cuxhaven und Osterholz sowie zum Land Bremen und im Süden grenzt er an die kreisfreie Stadt Delmenhorst und den Landkreis Oldenburg. Kreisstadt ist Brake, größte Stadt ist Nordenham.
Die Wesermarsch liegt in der Norddeutschen Tiefebene. Der vorherrschende Landschaftstyp ist die Marsch, die zu zwei Dritteln unterhalb des mittleren Flutwasserspiegels liegt und nur durch Deiche vor Überflutung geschützt ist, die den ganzen Landkreis zum Wasser der Weser, Nordsee und Jadebusen umgeben. Im Westen schließt die Marsch an die Geest an. An der B 211 befindet sich in Loyermoor der „Geest-Abbruch“, der eine Höhendifferenz von gut 30 Meter überbrückt.
Verteilt über den Landkreis sind auch verschiedene Moore, so z. B. gilt das als “Schwimmendes Moor” bekannte, am Jadebusen im Ortsteil Sehestedt der Gemeinde Jade gelegen, als herausragendes Naturdenkmal der einmaligen Art. Im Südwesten liegen das Rockenmoor und das Grasmoor, in der Mitte des Landkreises das Frieschenmoor und im Westen bei Jade das Kreuzmoor. Der ganze Landkreis ist von umfangreichen Entwässerungssielen und -gräben durchzogen.
Im Süden durchfließt die Hunte von Oldenburg kommend den Landkreis und mündet bei Elsfleth in die Weser. An der Einmündung befindet sich das Huntesperrwerk, welches zum Schutz vor Hochwasser errichtet wurde.