Bayan-Ölgii nằm ở cực tây của đất nước, và có biên giới với Nga và Trung Quốc. Biên giới giữa Nga và Trung Quốc kéo dài khá ngắn và điểm cực tây của Mông Cổ chỉ cách điểm cực đông của Kazakhstan 40 km. Bên trong Mông Cổ, các tỉnh lân cận là Uvs ở phía đông bắc và Khovd ở phía đông nam.

Bayan-Ölgii là tỉnh cao nhất tại Mông Cổ. Hầu hết địa bàn tỉnh thuộc dãy núi Altay thuộc Mông Cổ, ở điểm chuyển giao với dãy Altay thuộc Nga. Khoảng 10% lãnh thổ của tỉnh có rừng bao phủ, phần lớn là rừng thông Siberi.

Đỉnh Nairamdal (hay Đỉnh Hữu Nghị, tiếng Trung: 友谊峰, Hữu Nghị phong) thuộc rặng núi Altai Tavan Bogd (núi 5 thánh) là điểm ngã ba biên giới. Khoảng 2,5 km xa về phía nam thuộc biên giới Mông Cổ-Trung Quốc, đỉnh Hüiten là điểm cao nhất tại Mông Cổ với 4374 m. Rặng núi này bao gồm một số sông băng, như Sông băng Potanin dài 19 km, và chỉ có những người thám hiểm chuyên nghiệp được sự hướng dẫn của người chỉ dẫn bản địa mới có thể tiếp cận được.

Sông Khovd khởi nguồn từ tỉnh này. Sông được cấp nước từ ba hồ Khoton, Khurgan, và Dayan, và hồ Khar-Us tại tỉnh Khovd. Hồ Tolbo là một hồ nước mặn lớn và cách 50 km về phía nam của tỉnh lị. Nước trong hồ Tolbo có đặc điểm là trong và lạnh vì nằm trên độ cao 2.080 m.