Huyện Mai Sơn nằm trong toạ độ từ 20°52'30B đến 21°20'50B; từ 103°41'30Đ đến 104°16Đ và nằm ở trung tâm tỉnh Sơn La có vị trí địa lý:

• Phía bắc giáp các huyện Thuận Châu, Mường La và thành phố Sơn La
• Phía đông giáp huyện Bắc Yên và huyện Yên Châu
• Phía tây giáp huyện Sông Mã
• Phía nam giáp Lào với đường biên giới dài 8 km.

Huyện Mai Sơn rộng 1.410,3 km² và có 112,8 nghìn người (dân số khu vực thành thị chiếm 8,4%). Có nhiều dân tộc cộng cư sinh sống, trong đó 6 dân tộc chủ yếu là: Thái chiếm 55,62%, Kinh chiếm 30,53%, H'mông chiếm 7,42%, Xinh Mun chiếm 3,23%, Khơ Mú chiếm 2,49%; Mường chiếm 0,65%.