A Líbiai-sivatag egy több millió négyzetkilométer területű, szélsőséges időjárású, alapvetően homok- és kősivatag. Északi részét mészkő borítja, délebbre haladva a mészkő eltűnik, és különböző korú homokkőrétegek építik fel. Központi részén a homokkő alól már előbukkannak kristályos kőzetek is.

Szintje a tengerparttól fokozatosan emelkedik, középső területén, Egyiptom déli határán már átlagban 6-700 méteres magasságot ér el.

Tulajdonképpen a Szahara keleti része. A francia földrajzi irodalomban pl. el is különül a Szaharától. Északi határa párhuzamosan fut a Földközi-tenger partvonalával (a Szirti-öbölben el is éri a tengerpartot), keleti határa a Nílus völgye, déli határa a Szahel övezet, nyugaton pedig nagyjából Líbia közepéig terjed. Legmagasabb pontja az Uveinat hegység, 1934  méter magas. Tőle északnyugatra kb. 40  km-re, Líbiában emelkedik a kb. 1400  méter magas Arkenu, míg tőle délre Szudánban a Kissu. Középső vidékén, Egyiptomban az 1000  méter magas Gilf Kebir fennsík terül el. Ettől északra a Nagy Homoktenger kb. 2 magyarországnyi homokvidéke fekszik, ami egy keskenyebb átjáróval csatlakozik a Líbiában fekvő Calanscio homoktengerhez. Északi részén található a Kattara-mélyföld, délkeleten pedig a Szelima-homoksíkság fekszik. Líbiai részén olaj- és több száz méter mélyről származó víz kitermelése folyik.

Területén Líbia, Egyiptom és Szudán osztozik.

A Szahara nyugati részével összehasonlítva sokkal szárazabb, a vízlelőhelyek száma a Nyugat-Szaharához képest elenyésző. A Gilf Kebirben nincs forrás, Arkenuban mindössze egy van, de még az Uveinat hegységben is csak három állandóan hozzáférhető vízlelőhely ismert. Története folyamán vizes és száraz periódusok váltották egymást. A legutolsó vizes periódus kb. 6000 éve ért véget. Az akkori lakosság nyomai sziklarajzok és sziklavésetek, cseréptöredékek és kőszerszámok formájában ma is fellelhetők.

A világ legszárazabb helyeinek egyike. Sok területén, főleg a Gilf Kebir keleti oldalán évtizedeken át nem esik eső, de még a magasabban fekvő vidékein is gyakran 5-10 év telik el anélkül, hogy csapadék hullana (az Uveinaton legutóbb 2007-ben esett).

Végleges feltárása csak az 1930-as években történt meg, ebben jelentős szerepet játszott Almásy László is. Részletes kutatása ma is folyamatban van.

Az utolsó "fehér folt" volt Afrika térképén.