Mường La có tọa độ địa lý là 21°15' - 21°42' vĩ Độ Bắc; 103°45' - 104°20' kinh độ Đông.

Huyện Mường La giáp với huyện Quỳnh Nhai ở phía Tây Bắc, huyện Thuận Châu ở phía Tây, thành phố Sơn La ở phía Tây Nam, huyện Mai Sơn ở phía Nam, huyện Bắc Yên ở phía Đông Nam, huyện Trạm Tấu (Yên Bái) ở phía Đông, huyện Mù Cang Chải (Yên Bái) và Than Uyên (Lai Châu) ở phía Bắc.

Huyện Mường La rộng 1.407,9 km² và có 67.800 hộ gia đình.

Độ cao bình quân của huyện là 500–700 m. Trên địa bàn Mường La có nhiều dãy núi và núi cao ở phía Bắc và Đông Bắc.

Sông Đà là sông lớn nhất chảy qua huyện. Một số sông suối lớn khác là Nậm Mu, Nậm Chiến, Nậm Trai, Nậm Pàn, Nậm Pia. Khi đập thủy điện Sơn La được hoàn thành, hồ thủy điện Sơn La chiếm một phần không nhỏ diện tích toàn huyện.