Tỉnh Oudomxay có diện tích 15.370 km2. Tỉnh giáp ranh tỉnh Phongsali, tỉnh Phongsali ở phía đông bắc, tỉnh Luang Prabang về phía đông và đông nam, tỉnh [Xaignabouli] ở phía nam và tây nam; tỉnh Bokeo về phía tây và tỉnh Luang Namtha về phía tây bắc. Ở phía tây bắc có biên giới dài 15 km với khu tự trị Tây Song Bản Nạp của Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa.

Các khu dân cư chính bao gồm Muang Xai, Muang La, Pak Beng, Sen Say, Taxoum, Seneke, Sala Mok, Ban Na He, Ban Chomka, Ban Lao Phe, Ban Na Houang, Ban Lo Sa, Ban Lao Than, Ban Donkon, Ban Senlouang, Ban Napa, Ban Phoukeu, Ban Yamai, Ban Haiteu, Ban Kavang, Ban Kheun, Muang Houn, Ban Na Mao, Ban Tong, Ban Khmou, Ban Khokka, và Ban Tong.

Địa hình của Oudomxay chủ yếu là núi non hiểm trở. Độ cao dao động từ 300m đến 1800m so với mực nước biển. Có tới 60 dòng sông lớn nhỏ chảy qua tỉnh Oudomxay. Các sông chính là Nam Phak, Nam Sae, Nam Beng, Nam Kor và Nam Nga. Sông Nam Kè chảy qua thủ phủ của tỉnh Muang Xay. Tỉnh Oudomxay có khí hậu gió mùa điều hòa. Lượng mưa hàng năm khoảng 1.900m -2.600 mm. Nhiệt độ trong tháng hai và tháng ba trung bình từ 18 °C đến 19 °C, từ tháng 4 đến tháng 5 nhiệt độ tăng lên trên 31 °C. Do nằm ở độ cao lớn nên có nhiều sự thay đổi về nhiệt độ trong năm và mùa khô lạnh hơn ở miền bắc Lào cũng như ở các phần còn lại của đất nước.