Xã Mô Rai nằm ở phía tây huyện Sa Thầy, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp các xã Sa Sơn, Ya Xiêr và Ya Ly
• Phía tây giáp Campuchia
• Phía nam giáp huyện Ia H'Drai
• Phía bắc giáp xã Rờ Kơi.

Xã có diện tích 585,52 km², dân số năm 2013 là 4.289 người[2], mật độ dân số đạt 7 người/km².

Trước năm 2013, xã Mô Rai có diện tích trên 1.500 km², là xã có diện tích lớn nhất cả nước lúc bấy giờ. Toàn bộ huyện Ia H'Drai hiện nay khi đó thuộc địa giới hành chính của xã Mô Rai.