Huyện Hồng Hà nằm ở phía nam tỉnh Vân Nam, bờ nam phía thượng nguồn sông Hồng Hà, trong khu vực có tọa độ từ 101°49' tới 102°37' kinh đông và từ 23°05' tới 23°27' vĩ bắc[15]. Chiều dài đông-tây đạt 81 km, chiều rộng bắc-nam đạt 40 km. Diện tích 2.057 km². Phía đông và nam tiếp giáp huyện Nguyên Dương và Lục Xuân, phía bắc tiếp giáp huyện Thạch Bình ở phía bên kia sông Hồng Hà. Phía tây tiếp giáp huyện Mặc Giang của địa cấp thị Tư Mao, phía tây bắc tiếp giáp huyện tự trị Nguyên Giang của địa cấp thị Ngọc Khê[15].

Địa hình huyện này cao ở giữa, hai mặt nam bắc thấp hơn với 96% là miền núi. Dãy núi Lỗ Mã Đại sơn ở phía đông nam có đỉnh cao 2.745,8 m[15] là điểm cao nhất trong huyện. Điểm thấp nhất (cửa sông Mạn Xa Độ) đạt 259 m[15], ở phía đông bắc. Nhiệt độ trung bình nằm trong khoảng 11,2 tới 23,4 °C. Lượng mưa không đều, ở phía bắc chỉ khoảng 700 tới 900 mm mỗi năm trong khi ở phía nam đạt 1.500 tới 2.000 mm. Trung bình toàn huyện đạt 1.340 mm[15].