Thành phố Chiang Mai tọa lạc tại 18°47'20" vĩ độ Bắc (gần ngang với vị trí của thành phố Vinh, Việt Nam), 98°59'00" kinh độ Đông, cách Bangkok chừng 800 km về phía Bắc. Chiang Mai nằm trên vùng địa hình đồi núi thuộc loại cao nhất của Thái Lan. Thành phố chạy dọc theo hữu ngạn sông Ping, một trong những phụ lưu lớn nhất và quan trọng nhất của sông Chao Phraya.

Liền kề với thành phố Chiang Mai, nhưng ở tạ ngạn sông Ping là thị xã Lamphun (tỉnh lỵ của tỉnh Lamphun). Hai đô thị liền kề này hợp thành Vùng đô thị Chiang Mai.