Thị trấn Mộc Châu kéo dài theo chiều đông - tây và có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Đông Sang
• Phía bắc, tây và nam giáp xã Mường Sang.

Thị trấn Mộc Châu có tuyến quốc lộ 6 chạy dọc theo chiều ngang của địa bàn. Ngoài ra, thị trấn còn là điểm đầu của tuyến quốc lộ 43 nối đến cửa khẩu Pa Háng trên biên giới Việt - Lào. Trên địa phận thị trấn có một số khe suối nhỏ đổ vào suối Nà Bó và suối Môn.