Nằm ở phía tây bắc của Việt Nam, Lai Châu cách thủ đô Hà Nội 450 km về phía tây bắc, có toạ độ địa lý từ 21°51' đến 22°49' vĩ độ Bắc và 102°19' đến 103°59' kinh độ Đông.

Phía bắc Lai Châu giáp tỉnh Vân Nam, Trung Quốc

Phía đông giáp các tỉnh Lào Cai, Yên Bái, Sơn La

Phía tây và phía nam giáp tỉnh Điện Biên.

Lai Châu có 273 km đường biên giới với cửa khẩu quốc gia Ma Lù Thàng và nhiều lối mở trên tuyến biên giới Việt – Trung trực tiếp giao lưu với các lục địa rộng lớn phía tây nam Trung Quốc. Lai Châu có tiềm năng để phát triển dịch vụ – thương mại, xuất nhập khẩu và du lịch, đồng thời, cũng có vị trí chiến lược hết sức quan trọng về quốc phòng, an ninh và bảo vệ chủ quyền biên giới quốc gia. Lai Châu nằm trong khu vực đầu nguồn và phòng hộ đặc biệt xung yếu củasông Đà, sông Nậm Na và sông Nậm Mu, điều tiết nguồn nước trực tiếp cho các công trình thuỷ điện lớn trên sông Đà, đảm bảo sự phát triển bền vững cả vùng châu thổ sông Hồng.

Địa hình được tạo bởi những dãy núi chạy dài theo hướng tây bắc - Đông Nam, có nhiều đỉnh núi cao như đỉnh Pu Sa Leng cao 3.096 m, đỉnh Bạch Mộc Lương Tử cao 3.046 m. Núi đồi cao và dốc, xen kẽ nhiều thung lũng sâu và hẹp, có nhiều cao nguyên, sông suối. Sông có nhiều thác ghềnh, dòng chảy lưu lượng lớn nên tiềm năng thuỷ điện rất lớn. Lai Châu có đặc điểm địa hình là vùng lãnh thổ nhiều dãy núi và cao nguyên. phía đông khu vực này là dãy núi Hoàng Liên Sơn, phía tây là dãy núi Sông Mã (độ cao 1.800 m). Giữa hai dãy núi đồ sộ trên là phần đất thuộc vùng núi thấp tương đối rộng lớn và lưu vực sông Đà với nhiều cao nguyên đá vôi (dài 400 km, rộng từ 1 – 25 km, cao 600 – 1.000 m). Trên 60% diện tích có độ cao trên 1.000 m, trên 90% diện tích có độ dốc trên 25°, bị chia cắt mạnh bởi các dãy núi chạy dài theo hướng tây bắc – Đông Nam, xen kẽ là các thung lũng có địa hình tương đối bằng phẳng như: Mường So, Tam Đường, Bình Lư, Than Uyên… Có đỉnh núi Phan Xi Păng cao 3.143 m, Pu Sam Cáp cao 1.700 m… Núi đồi cao và dốc, xen kẽ nhiều thung lũng sâu và hẹp, có nhiều sông suối, nhiều thác ghềnh, dòng chảy lưu lượng lớn nên có nhiều tiềm năng về thuỷ điện.

Lai Châu có khí hậu cận nhiệt đới ẩm. Nhiệt độ trung bình năm khoảng 21 °C-23 °C chia làm hai mùa theo độ ẩm là mùa mưa và mùa khô, chia làm 4 mùa theo nhiệt độ: xuân, hè, thu, đông.