Huyện Mù Cang Chải nằm ở phía tây tỉnh Yên Bái, có vị trí địa lý:

• Phía bắc giáp huyện Văn Bàn, tỉnh Lào Cai
• Phía nam giáp huyện Mường La, tỉnh Sơn La
• Phía tây giáp huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu
• Phía đông giáp huyện Văn Chấn.

Huyện nằm dưới chân của dãy núi Hoàng Liên Sơn, ở độ cao 1.000 m so với mặt biển. Muốn đến được huyện Mù Cang Chải phải đi qua đèo Khau Phạ - là một trong Tứ Đại Đèo của vùng Tây Bắc.