Der französische Verwaltungsbezirk ist umgeben von den Départements Jura, Saône-et-Loire, Rhône, Isère, Savoie und Haute-Savoie und grenzt darüber hinaus an die Schweiz.

Ain ist ein Département der geographischen Kontraste: Im Nordwesten erstreckt sich die Bresse, eine leicht nach Nordosten ansteigende und von der Saône begrenzte Ebene, im Südwesten die Teich- und Seenlandschaft Domes, die von über tausend Weihern bedeckt wird. Im Osten erheben sich die Berge des südlichen Jura brüsk über die bressanische Ebene und bilden den Bogey.

In den Tälern der Bergketten des Jura verlaufen die vielbefahrenen Transportachsen nach Italien oder in die Schweiz. Die Gegend um Gex wird durch die letzte östliche Bergkette des Jura vom Rest des Départements getrennt. Sie erstreckt sich bis zum Genfer See und gehört geographisch zu dessen Becken.

Die Saône stellt die westliche Grenze des Départements dar. Sie wird im Wesentlichen von drei Zuflüssen gespeist: von der Reyssouze (75 km), von der Veyle (67 km) und der Chalaronne (52 km). Hauptzuflüsse der das Département im Osten und Süden begrenzenden Rhône sind neben dem Séran (42 km) vor allem der Ain (190 km), die seinerseits von 118 Zuflüssen gespeist wird.