Khu tự trị Tây Bắc bao gồm 16 châu: Mường Tè, Mường Lay, Sình Hồ (nay viết là Sìn Hồ), Điện Biên, Quỳnh Nhai, Sông Mã, Tuần Giáo, Thuận Châu, Mường La, Mai Sơn, Yên Châu, Mộc Châu,Phù Yên, Phong Thổ (thuộc tỉnh Lào Cai), Than Uyên, Văn Chấn (thuộc tỉnh Yên Bái).

Dưới cấp khu chỉ có cấp châu và cấp xã, bỏ cấp tỉnh (Sơn La, Lai Châu). Điều này được hợp thức hóa trong Hiến pháp năm 1959, trong đó quy định Khu tự trị là đơn vị hành chính cấp tỉnh.

Ngày 18 tháng 10 năm 1955, lập thêm 2 châu Tủa Chùa và Mù Cang Chải.

Khu tự trị Tây Bắc

Ngày 27 tháng 10 năm 1962, Quốc hội thông qua Nghị quyết đổi tên khu tự trị Thái Mèo thành khu tự trị Tây Bắc và thành lập ba tỉnh trong khu:

1. Tỉnh Lai Châu gồm 7 huyện: Điện Biên, Tuần Giáo, Mường Tè, Tủa Chùa, Mường Lay, Sình Hồ và Phong Thổ.
2. Tỉnh Sơn La gồm thị xã Sơn La và 7 huyện: Quỳnh Mai, Thuận Châu, Mường La, Mai Sơn, Sông Mã, Yên Châu, Mộc Châu.
3. Tỉnh Nghĩa Lộ gồm 4 huyện: Than Uyên, Mù Cang Chải, Văn Chấn và Phù Yên.

Khu tự trị lúc đó có diện tích 67.300 km², với số dân 438.000 người.

Đến cuối năm 1962, đầu năm 1963, 3 tỉnh nói trên được thành lập: Sơn La và Lai Châu là tái lập, còn Nghĩa Lộ là tỉnh mới.

Khu tự trị Tây Bắc tồn tại cho tới ngày 27 tháng 12 năm 1975 thì giải thể cùng với Khu tự trị Việt Bắc, đồng thời những quy định trong Hiến pháp nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa năm 1959 về cấp khu tự trị cũng bị bãi bỏ theo Quyết định của Quốc hội khóa V, kỳ họp thứ 2.