Huyện Quỳnh Nhai nằm ở phía tây bắc của tỉnh Sơn La, xung quanh bao bọc bởi dòng sông Đà và các dãy núi. Độ cao trung bình huyện Quỳnh Nhai là 800 - 900 m so với mực nước biển, cao nhất là đỉnh Khau Pùm 1.823 m. Tọa độ địa lý từ 21°33'42” đến 20°01'45 vĩ độ bắc và 103°29’40” đến 103°48'13” kinh độ đông. Phía Bắc tiếp giáp huyện Sìn Hồ, tỉnh Lai Châu; phía Nam giáp huyện Thuận Châu và huyện Mường La; phía Đông tiếp giáp với huyện Than Uyên của tỉnh Lai Châu; phía Tây tiếp giáp với huyện Tủa Chùa và Tuần Giáo của tỉnh Điện Biên. Từ thành phố Sơn La đến huyện lỵ đi theo quốc lộ 6 và quốc lộ 6B đến trung tâm huyện Quỳnh Nhai khoảng 60km (rẽ từ ngã ba Chiềng Pấc, huyện Thuận Châu). Từ Hà Nội đến huyện Quỳnh Nhai khoảng 380km.
Cầu Pá Uôn bắc qua sông Đà, thuộc huyện Quỳnh Nhai.
Theo số liệu điều tra dân số ngày 31/12/2014, dân số các dân tộc huyện Quỳnh Nhai có 62.505 người. Huyện Quỳnh Nhai sau khi điều chỉnh địa giới hành chính, sắp xếp lại dân cư của các xã, có 11 đơn vị hành chính cấp xã với 193 tiểu khu, bản (năm 2015), 196 tiểu khu, bản (năm 2001) đơn vị dân cư. Trung tâm hành chính huyện lỵ trước di dân tái định cư thủy điện Sơn La (trước tháng 7-2009) đặt tại xã Mường Chiên, sau di dân tái định cư thủy điện Sơn La (từ tháng 7-2009) đặt tại xã Mường Giàng. 11 xã gồm: Cà Nàng, Chiềng Bằng, Chiềng Khay, Chiềng Khoang, Chiềng Ơn, Mường Chiên, Mường Giàng (huyện lỵ), Mường Giôn, Mường Sại, Nặm Ét và Pá Ma Pha Khinh.
Huyện Quỳnh Nhai có diện tích tự nhiên là 105.600 ha. Địa hình phức tạp và bị chia cắt nhiều, diện tích đất có độ cao trên 16° chiếm 89,2% tổng diện tích tự nhiên toàn huyện. Có 3 dãy núi chính chạy qua theo hướng tây bắc - đông năm gần song song với sông Đà, xen giữa các dãy núi là những đối thấp và phiêng bãi nhỏ, các sườn núi thấp dần về phía sông Đà tạo nên hai tiểu vùng rõ rệt: Tiểu vùng cao gồm hai xã Mường Giôn và Chiềng Khay, có độ cao trung bình 800 m so với mặt nước biển. Vùng này thích hợp để trồng rừng, trồng cây lâu năm và chăn nuôi đại gia súc. Tiểu vùng thấp gồm 9 xã: Cà Nàng, Mường Chiến, Pá Ma Pha Khinh, Chiềng On, Mường Giàng, Mường Sại, Chiềng Khoang, Chiềng Bằng, Nặm Ét nằm dọc hai bên bờ sông Đà, có độ cao trung bình 300 m so với mặt nước biển. Vùng này thích hợp cho gieo trồng các loại cây lương thực, cây ăn quả, cây lâu năm và nuôi trồng thủy sản.
Khí hậu Quỳnh Nhai có hai tiểu vùng khác nhau: Tiểu vùng cao mang đặc trưng khí hậu á nhiệt đới, thời tiết mát và thường có sương muối vào tháng 12, 1,2; Tiểu vùng thấp (các xã dọc sông Đà) mang khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều. Lượng mưa trung bình hằng năm vào khoảng 1.720 mm, tập trung từ tháng 4 đến tháng 9, chiếm 84,8% tổng lượng mưa cả năm, đây cũng là thời điểm thường có gió tây nam, gió xoáy, giông bão. Từ tháng 10 năm trước đến tháng 3 năm sau là mùa khô, lượng mưa chỉ chiếm 15,2% tổng lượng mưa cả năm.
Nhiệt độ trung bình trong năm khoảng 24,5 độ C, do đó rất thích hợp cho nông nghiệp.
Huyện Quỳnh Nhai có sông Đà, suối Nặm Giôn, suối Nặm Muội, Nặm Piềng và nhiều suối nhỏ nằm rải rác địa phận các xã. Sông Đà là hệ thống sông chính và duy nhất cung cấp nước cho phát triển thủy sản và du lịch, nước sinh hoạt cho nhân dân khu vực ven hồ. Đặc biệt với diện tích lòng hồ thủy điện Sơn La là nơi cung cấp nguồn thủy sản tự nhiên để nhân dân khai thác, vừa là nguồn hàng hóa cung ứng cho các vùng khác, vừa giúp nhân dân khu vực ven sông cải thiện đời sống, vừa góp phần cung cấp nguồn nước tưới tiêu, sinh hoạt và sản xuất cho nhân dân.
Hồ thủy điện Sơn La được hình thành trên địa bàn huyện trong trình xây dựng Nhà máy Thủy điện Sơn La. Khu vực lòng hồ thủy điện Sơn La được chính quyền địa phương khai thác tận dụng lòng hồ, kết hợp với danh lam thắng cảnh ven hồ vừa đầu tư, vừa khuyến khích các hộ dân, các doanh nghiệp và các hợp tác xã thành lập trang trại nuôi trồng thủy sản, kết hợp phát triển du lịch lòng hồ. Cùng với đó giới thiệu, quảng bá nền văn hóa, truyền thống của nhân dân các dân tộc huyện Quỳnh Nhai với bạn bè gần xa.
Theo Địa Chí Sơn La xuất bản năm 2020.