Moldavien är beläget nordöst om Balkanhalvön i sydöstra Europa, nordöst om bergssystemet Karpaterna och nordväst om Svarta havet, i utkanten av det ukrainska slättlandet som breder ut sig åt nordöst. Det gränsar i väster till Rumänien och i öster, norr och söder till Ukraina. Moldavien sträcker sig drygt 350 kilometer i nord-sydlig riktning och drygt 150 kilometer i öst-västlig och har en yta på 33 843 km². Större delen av landet ligger mellan floderna Dnjestr och Prut. Landets västgräns utgörs av den senare, som sedan förenar sig med Donau innan den mynnar ut i Svarta havet. I nordöst är Dnjestr huvudfloden; denna genomkorsar landet från norr till söder och skiljer regionen Transnistrien (cirka 12 % av landets yta) på dess östra strand från övriga Moldavien på dess västra. Mindre floder är Răut (Reut), Kogolnik, Bîc och Botna. I norr gränsar landet till den podoliska platån (Podolien) i västra Ukraina. Landet har ingen kust då en smal ukrainsk landremsa skiljer det från det närbelägna Svarta havet.
Landskapet är mestadels låglänt, flackt och böljande. I norr och söder finns stäpp. Den norra delen av landet är kuperad. Moldaviens högsta berg är Dealul Bălănești, 429 meter högt. Den lägsta punkten är floden Dnjestr, som ligger två meter över havet. Moldaviens bördiga jord, framför allt svartjorden på stäppen i söder, och kontinentala klimat har gjort landet till en av de mest produktiva jordbruksregionerna i området, med storodling av frukt och vin. Drygt tre fjärdedelar av marken är uppodlad. Skog täcker endast cirka sju procent av landets yta, mestadels björk- och ekskog i landets centrala del, kallad Codrii ("skogarna"). Bland den inhemska faunan märks rådjur, vildsvin, hare, räv, vessla, iller, lodjur och gnagare.
