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Está situada en el centro de la isla, limitando al norte con el Océano Atlántico, al sur con las provincias de Cienfuegos y Sancti Spíritus, con las que también limita por el este, sudeste y sudoeste y hacia el oeste con Matanzas. Posee una extensión territorial de 8662.4 km², incluidos 719,2 de cayos adyacentes lo que la ubica en el quinto lugar por extensión entre las 14 provincias del territorio nacional, su extensión representa el 7,8 % del área total del país.

Las costas, que poseen características bajas y pantanosas, alcanzan una longitud de 191,0 kilómetros por el norte y son la única frontera marítima. Las mayores alturas se ubican en la Sierra Trinidad, son: Pico Tuerto con 923 metros y Sierra Guaniquical, con 869 metros.

En cuanto a la red hidrográfica, los ríos de mayor caudal son: Sagua la Grande con 163 km, Sagua la Chica con 81 km, Cana, Agabama y Zaza. Las presas más importantes por su capacidad de embalse son: Alacranes, Hanabanilla, Minerva y Palma Sola. En el municipio de Corralillo se encuentran los manantiales minero medicinales de Elguea, famosos por las propiedades curativas de sus aguas.

Villa Clara cuenta con 13 municipios, el de mayor densidad poblacional es Santa Clara con 444,7 habitantes por kilómetros cuadrados y el de mayor extensión territorial es Manicaragua con 1062.8 km², aquí se encuentra ubicado el macizo montañoso del Escambray, el cual se extiende por toda la parte central del país. En el Plan Turquino se resume una estrategia integral de desarrollo en las montañas que lleva aparejado el desarrollo socio–económico y la elevación del nivel de vida de la población, posee zonas de singular belleza y valor natural como el Valle de Jibacoa, la presa Hanabanilla y el Hotel del mismo nombre.