Mộc Châu là huyện vùng cao, nằm ở phía đông nam của tỉnh Sơn La. Độ cao trung bình so với mặt nước biển là 1.050m. Tọa độ địa lý điểm trung tâm 20°49′21 độ vĩ bắc, 104°43’10 độ kinh đông. Phía bắc giáp huyện Phù Yên và huyện Bắc Yên (sông Đà là ranh giới); phía nam giáp tỉnh Hủa Phăn, nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, có đường biên giới chung dài 39,949km; phía đông, đông nam giáp huyện Vân Hồ, phía tây giáp huyện Yên Châu. Từ thành phố Sơn La đến huyện Mộc Châu đi theo quốc lộ 6, dài 115km, từ huyện Mộc Châu đến Hà Nội đi theo quốc lộ 6, dài 195km.

Thác Dải Yếm, huyện Mộc Châu.

Mộc Châu có tổng diện tích tự nhiên 107.170ha; có hai dạng thổ nhưỡng cơ bản là đất feralit đỏ nâu và đất phù sa cổ. Đất feralit là loại đất tốt có nhiều mùn, thích hợp cho các loại cây trồng khô, đặc biệt là các loại cây công nghiệp như chè, cà phê... cây ăn quả như: bơ, mận, hồng giòn...; những phiêng bãi, những đồi trọc rộng có độ dốc ít, đó là những cánh đồng cỏ màu mỡ rất thuận lợi cho việc phát triển chăn nuôi gia súc lớn. Đất phù sa cổ, phân bố dọc các thung lũng, các bồn địa giữa núi hoặc các vạt nhỏ ven chân núi. Đất phù sa cổ tầng dày, thuận lợi về thủy lợi để canh tác lúa nước và trồng cây thực phẩm. Vì thế, vùng đất này đã trở thành một vùng quần cư quan trọng, là một trong những khu vực kinh tế trọng yếu của huyện, của tỉnh.

Về  địa hình Mộc Châu là vùng đất có địa hình cácxtơ (núi đá vôi), có nhiều núi, đồi cao nhấp nhô như sóng luợn, nằm gối kề nhau chạy theo hướng tây bắc - đông nam. Xen lẫn với những vùng cao nguyên rộng lớn là những vùng bình nguyên, lòng chảo, những khe vực, suối sông làm cho địa hình Mộc Châu trở nên đa dạng.

Núi đá vôi ở Mộc Châu có độ cao trung bình từ 1.200 m so với mặt nước biển, trong đó có đỉnh Pha Luông nằm phía nam của huyện là ngọn núi cao nhất, với độ cao 1.880 m. Các cao nguyên và bồn địa (đồng bằng giữa núi) làm nên yếu tố địa hình mang tính đặc thù của miền đất Mộc Châu. Riêng cao nguyên Mộc Châu có độ cao trung bình 1.050 m.

Khí hậu Mộc Châu chia thành hai mùa rõ rệt mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 9, mùa khô từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau. Tuy nhiên, do nằm ở vùng cao nguyên có độ cao lớn, lại có địa hình cánh cung mở đón hướng gió, nên vùng núi Mộc Châu là nơi tiếp nhận sớm và chịu ảnh hưởng sâu sắc của gió mùa đông bắc, gió thổi từ Lào sang, nên ở đây có yếu tố khí hậu á nhiệt đới mà rõ rệt nhất là các xã dọc quốc lộ 6 và lân cận. Khí hậu ở đây rất mát mẻ, nhiệt độ trung bình là 18,7°C, nhiệt độ chênh lệch giữa ngày và đêm là 8°C, độ ẩm trung bình 86% và là nơi có lượng bốc hơi thấp nhất tỉnh, trung bình 859,9 mm/năm. Mộc Châu là huyện có lượng mưa dồi dào, số ngày mưa trung bình 50 ngày/năm.

Về dân cư, huyện Mộc Châu là nơi có nhiều dân tộc cùng sinh sống như Thái, Kinh, Mường, Mông, Dao, Xinh Mun, Khơ Mú, La Ha, Tày..., trong đó đông nhất là dân tộc Thái, Kinh, Mường, Mông, Dao.

Sau các lần chia tách và nhất là khi điều chỉnh thành lập huyện Vân Hồ, huyện Mộc Châu có 15 đơn vị hành chính gồm 13 xã và 2 thị trấn với 226 bản, tiểu khu. Tổng diện tích tự nhiên 108.116 ha, dân số 107.200 người. Trung tâm hành chính của huyện đặt tại thị trấn Mộc Châu. 15 đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc huyện Mộc Châu, bao gồm 2 thị trấn: Mộc Châu (huyện lỵ), Nông trường Mộc Châu và 13 xã: Chiềng Hắc, Chiềng Khừa, Chiềng Sơn, Đông Sang, Hua Păng, Lóng Sập, Mường Sang, Nà Mường, Phiêng Luông, Quy Hướng, Tân Hợp, Tân Lập, Tà Lại.

Theo Địa Chí Sơn La xuất bản năm 2020