Thuận Châu là huyện vùng cao, năm phía tây bắc của tỉnh Sơn La. Độ cao trung bình so với mặt nước biển 700 - 750 m và có dãy núi Copia với đỉnh cao nhất 1.821 m. Tọa độ địa lý từ 21°12 - 21°41’ độ vĩ bắc đến 103°20' - 103°59’ độ kinh đông; phía đông giáp thành phố Sơn La, phía tây - tây bắc giáp huyện Tuần Giáo (tỉnh Điện Biên), phía nam giáp huyện Sông Mã, phía bắc giáp huyện Quỳnh Nhai, Mường La. Trung tâm thị trấn Thuận Châu cách trung tâm thành phố Sơn La 34 km và trung tâm thành phố Hà Nội là 350 km theo đường Quốc lộ 6.
Điểm du lịch sinh thái Pha Đin Top thuộc huyện Thuận Châu.
Theo Tổng điều tra dân số và nhà ở ngày 1-4-2009, dân số huyện Thuận Châu là 147.374 người. Đến ngày 31-12-2015, dân số toàn huyện là 165.785 người gồm 6 dân tộc chủ yếu sinh sống, trong đó dân tộc Thái chiếm 75,68%, dân tộc Mông chiếm 11,57%, dân tộc Kinh chiếm 6,76%, dân tộc kháng chiếm 2,57%, dân tộc La Ha chiếm 1,76%, dân tộc Khơ Mú chiếm 1,38%, còn lại là các dân tộc khác.
Qua các lần điều chỉnh, đến năm 2015, huyện Thuận Châu có 29 đơn vị hành chính gồm 28 xã và 1 thị trấn với 568 bản; năm 2017 có 570 bản; thị trấn Thuận Châu là trung tâm hành chính của huyện. 28 xã gồm: Bản Lầm, Bó Mười, Bon Phặng, Chiềng Bôm, Chiềng La, Chiềng Ly, Chiềng Ngàm, Chiềng Pấc, Chiềng Pha, Co Mạ, Co Tòng, É Tòng, Liệp Tè, Long Hẹ, Muổi Nọi, Mường Bám, Mường É, Mường Khiêng, Nậm Lầu, Noong Lay, Pá Lông, Phổng Lái, Phổng Lăng, Phổng Lập, Púng Tra, Thôm Mòn, Tông Cọ, Tông Lạnh.
Thuận Châu có tổng diện tích tự nhiên 153.336 ha. Địa hình Thuận Châu phức tạp và hiểm trở, bị chia cắt nhiều bởi các dãy núi cao và suối sâu, có núi đá vôi xen lẫn thung lũng, đồi, lòng chảo... tạo thành hai tiểu vùng: vùng núi cao bao gồm các xã Co Tòng, É Tòng, Mường Bám, Long Hẹ, Co Mạ, Pá Lông, thuận lợi cho phát triển kinh tể rừng, chăn nuôi đại gia súc. Vùng thấp bao gồm thị trấn và các xã còn lại, vùng này đất đai rộng, màu thuận lợi cho phát triển kinh tế nông nghiệp, đặc biệt trồng các loại cây công nghiệp như chè, cà phê, cây ăn quả... Thuận Châu có núi Pha Luông, đồi Khau Tú, đèo Pha Đin với độ dài 32 km nằm trên quốc lộ 6, một phần thuộc xã Tủa Tình, huyện Tuần Giáo, tỉnh Điện Biên.
Thuận Châu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, trong năm được chia làm hai mùa rõ rệt: mùa mưa bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 9, mùa khô từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau. Địa hình chia cắt mạnh đã tạo cho Thuận Châu có 3 tiểu vùng khí hậu khác nhau. Nhiệt độ trung bình trong năm 21,4° C, mùa hè nhiệt độ trung bình từ 24°C- 26°C, mùa đông nhiệt độ trung bình từ 16° C - 18°C. Nhiệt độ cao nhất là 30,6°C vào tháng 5, thấp nhất là 11°C vào tháng 12. Số giờ nắng trung bình 2.052 giờ/năm. Số giờ nắng trung bình mùa hè từ 6 - 7 giờ/ngày, mùa đông từ 4 - 5 giờ/ngày. Lượng mưa trung bình 1.371,8 mm/năm phân bố không đều theo từng tháng. Mùa mưa kéo dài 5 - 6 tháng (từ tháng 4 đến tháng 9), mưa tập trung vào tháng 6,7,8, lượng mưa chiếm 80% tổng lượng mưa cả năm. Mùa khô lượng mưa nhỏ chỉ chiếm 20% tổng lượng mưa cả năm. Độ ẩm trung bình 80%/năm, độ ẩm và lượng bốc hơi phụ thuộc vào từng thời điểm khác nhau trong năm, từ tháng 10 năm trước đến tháng 3 năm sau là thời kỳ khô hạn lượng mưa ít, lượng bốc hơi nước cao hơn lượng mưa nhiều lần, độ ẩm của tầng đất mặt rất thấp, gây ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt và sản xuất của nhân dân. Mùa mưa lượng bốc hơi không đáng kể và độ ẩm tầng đất cao.
Thuận Châu là cái nôi của văn hóa Thái cổ xưa nhất, với các tác phẩm văn học điển hình như Khun Lú - Nàng Ủa là tập truyện thơ tình dài 2.000 câu; Xống chụ son sao (Tiễn dặn người yêu) có 1.850 câu thơ trữ tình... và là nơi còn lưu giữ được nhiều cuốn sách chữ Thái cổ thể hiện quan niệm của người Thái về vũ trụ, sản sinh ra các loại sinh vật, động vật kể cả con người về xây dựng bản mường, qua các đời phìa chủ mường từ thế kỷ XII đến trước Cách mạng tháng Tám năm 1945.
Theo Địa Chí Sơn La xuất bản năm 2020