Mai Sơn là trung tâm công nghiệp và là huyện trọng điểm kinh tế của tỉnh, nằm trong cụm tam giác kinh tế thành phố Sơn La - Mai Sơn - Mường La, Huyện lỵ đóng tại thị trấn Hát Lót.
Tượng đài ở ngã ba Cò Nòi huyện Mai Sơn.
Mai Sơn là huyện vùng cao, cách trung tâm thành phố Sơn La 30km về phía Bắc. Tọa độ địa lý điểm trung tâm 21°10’08” độ vĩ bắc, 103°59’36” độ kinh đông. Phía Bắc giáp huyện Mường La, thành phố Sơn La; phía Đông giáp huyện Yên Châu, huyện Bắc Yên; phía Tây giáp huyện Sông Mã, huyện Thuận Châu; phía Nam giáp huyện Sông Mã, huyện Xiêng Khọ (tỉnh Hủa Phăn, nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào). Mai Sơn là trung tâm công nghiệp và là huyện trọng điểm kinh tế của tỉnh, nằm trong cụm tam giác kinh tế thành phố Sơn La - Mai Sơn - Mường La, Huyện lỵ đóng tại thị trấn Hát Lót. Từ Hà Nội đến huyện lỵ có hai tuyến đường: quốc lộ 6 dài khoảng 270km qua các huyện Vân Hồ, Mộc Châu, Yên Châu; từ Mai Sơn theo quốc lộ 37 đi qua các huyện Bắc Yên, Phú Yên (tỉnh Sơn La), Phú Thọ về Hà Nội.
Huyện Mai Sơn có 6,890 km đường biên giới giáp với bản Nà Noong, huyện Xiềng Khọ, tỉnh Hủa Phăn nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, giáp ranh với các bản Đen, Ta Lúc, Ta Vắt và bản Pẻn thuộc xã Phiêng Pằn.
Sau các lần điều chỉnh đơn vị hành chính, theo số liệu thống kê năm 2015, huyện Mai Sơn có tổng diện tích tự nhiên 142.670 ha; có 22 đơn vị hành chính cấp xã (gồm 21 xã và 1 thị trấn), 458 thôn, bản, tiểu khu. 22 đơn vị hành chính gồm: thị trấn Hát Lót; các xã Cò Nòi, Tà Hộc, Chiềng Lương, Phiêng Pằn, Phiêng Cằm, Chiềng Mung, Mường Bon, Mường Bằng, Chiềng Sung, Chiềng Chăn, Chiềng Ban, Chiềng Mai, Chiềng Ve, Chiềng Chung, Mường Tranh, Nà Ớt, Chiềng Dong, Chiềng Kheo, Chiềng Lương, Nà Bó, Chiềng Nơi. Trung tâm hành chính của huyện đóng tại thị trấn Hát Lót.
Khí hậu mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa của miền núi Tây Bắc. Nhiệt độ trung bình trong năm là 21°C, thường nóng nhiều từ tháng 4 đến tháng 8; lạnh nhiều từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau; nắng nhiều từ tháng 3 đến tháng 10 với tổng số giờ nắng 1.940 giờ/năm; mưa nhiều từ tháng 5 đến tháng 9, độ ẩm trung bình năm 80,5%. Tổng lượng mưa bình quân 1.284,9mm/năm. Ngoài sông Đà chảy qua huyện 24 km, Mai Sơn còn có hệ thống suối thuộc lưu vực sông Đà và sông Mã như: Nậm Pàn, Nậm Khiêng, Nậm Pó, Ta Vắt, Suối Quét, Huổi Hạm, Nậm Mua, Căm,... với tổng chiều dài khoảng 250 km và nhiều suối nhỏ khác.
Theo số liệu thống kê năm 2015 huyện Mai Sơn có dân số 155.661 người. Trên địa bàn huyện có nhiều dân tộc cùng sinh sống như: Thái, Kinh, Mông, Xinh Mun, Khơ Mú, Mường… trong đó đông nhất là dân tộc Thái, Kinh, Mông.
Theo Địa Chí Sơn La xuất bản năm 2020