Thị xã Mường Lay nằm ở phía bắc tỉnh Điện Biên, trong một thung lũng hẹp, dài, nơi giao cắt của sông Đà, sông Nậm Na và sông Nậm Lay. Đất đai thị xã phân bố dọc hai bên bờ suối Nậm Lay, nay là một phần của hồ thủy điện Sơn La.

Thị xã Mường Lay nằm ở phía bắc tỉnh Điện Biên, cách thành phố Điện Biên Phủ 103km về phía bắc, cách thủ đô Hà Nội 576km về phía tây bắc.

Địa giới hành chính thị xã Mường Lay:

• Phía bắc giáp tỉnh Lai Châu qua sông Đà
• Các phía còn lại đều giáp huyện Mường Chà.

Thị xã Mường Lay là thị xã có dân số thấp nhất và cũng là thị xã có số phường, xã ít nhất nước. Tại thời điểm năm 2007, thị xã Mường Lay có 11.403,5 ha diện tích tự nhiên và 14.379 người.

Trước năm 1990, thị xã Lai Châu khi đó có số dân lên đến 80.000 người. Khu dân cư tập trung tại khu vực Đồi Cao, Bản Xá, khu vực Nậm Cản kéo dài đến thị trấn Mường Lay. Sau trận lũ quét kinh hoàng vào mùa mưa năm 1990, toàn bộ khu vực hai bên bờ suối bị lũ quét tàn phá làm trôi cầu Sắt và hầu hết chợ, bến xe cũng như các công trình hạ tầng khác. Sau khi tỉnh Lai Châu chuyển các cơ quan hành chính, Đảng bộ tỉnh về Điện Biên Phủ thì dân cư đã chuyển đi gần hết, chỉ còn dân bản xứ và một số ít người Kinh, Hoa, Hà Nhì và Dao còn sinh sống ở đó. Hiện nay hầu hết vùng thấp của thị xã Mường Lay nằm dưới lòng hồ thủy điện Sơn La. Hồ có diện tích khoảng 50 km² và kéo dài hàng chục km.