Die Gemeindegrenze von Romoos verläuft fast ausschliesslich entlang natürlicher Grenzen. Die Grosse Fontanne bildet die Ost- und Südgrenze. Kurz vor der Grenze zum Kanton Bern, bei Unter Freimoos biegt sie gegen Norden ab und trifft beim Gehöft Hängelenfluh auf die Grenze zum Kanton Bern. Entlang eines Grats verläuft diese dann in nördlicher Richtung bis zum Hengst (1’372 m ü. M.). Nördlich des Hengsts entspringt der Krachenbach. Dessen Lauf entlang verläuft die Gemeindegrenze zu Hergiswil bei Willisau. Nach einigen Kilometern mündet der Krachenbach von links in die Kleine Fontanne, die östlich des Hengsts entspringt. Die Kleine Fontanne bildet dann bis zu ihrer Vereinigung mit der Grossen Fontanne zur Fontannen die Grenze zu den Gemeinden Menznau und Wolhusen.
Die gesamte Gemeinde liegt im Voralpengebiet, im östlichen Teil des Napfberglandes und ist sehr hügelig, teilweise sogar gebirgig, sowie vielfach stark bewaldet. Die Hügel zwischen den einzelnen Bächen sind zum Teil gerodet.
Romoos-Dorf liegt auf einer Anhöhe zwischen der Grossen Fontanne im Osten und dem Altmühlebach im Westen und Norden. In den Altmühlebach mündet von links der Rechenlochbach ein. Kurz nach dieser Vereinigung mündet dieser dann von links in die Grosse Fontanne. Gleich östlich der Berner Kantonsgrenze entspringt der Goldbach, der zuerst ostwärts und dann südwärts fliesst und in den Seeblibach einmündet. Dieser entspringt, allerdings viel weiter südlich als der Goldbach, ebenfalls nahe der Grenze zum Kanton Bern. Er fliesst vorerst in östlicher, dann in südöstlicher Richtung und mündet von links in die Grosse Fontanne ein.
Neben Romoos-Dorf gibt es auf dem Gemeindegebiet zahlreiche Einzelgehöfte und Häusergruppen. Die einzige grössere Siedlung ist Bramboden. Diese liegt auf 1’053 m ü. M.; 4,8 km südwestlich des Dorfs.
Vom Gemeindegebiet von über 37 km² ist 61,8 % von Wald bedeckt. Nur 34,8 % wird landwirtschaftlich genutzt, doch es handelt sich teilweise um kargen Boden, dessen Ertrag wesentlich geringer ist als im Flachland. Nur 2,2 % des Gemeindegebiets ist Siedlungsgebiet.
Romoos grenzt im Westen an die Gemeinde Trub im Kanton Bern. Alle anderen Gemeinden liegen im Kanton Luzern. Diese sind im Uhrzeigersinn Hergiswil im Nordwesten, Menznau im Norden, Wolhusen im Nordosten, Doppleschwand im Osten, Entlebuch (Exklave Dieplischwand) und Hasle im Südosten, Schüpfheim im Süden und Escholzmatt-Marbach im Südwesten.
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