Huyện Phù Yên nằm ở phía đông tỉnh Sơn La, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Tân Sơn, tỉnh Phú Thọ và huyện Đà Bắc, tỉnh Hòa Bình
• Phía tây giáp huyện Bắc Yên
• Phía nam giáp các huyện Mộc Châu và Vân Hồ
• Phía bắc giáp hai huyện Văn Chấn và Trạm Tấu thuộc tỉnh Yên Bái.

Trung tâm huyện Phù Yên là cánh đồng Mường Tấc, cánh đồng rộng thứ ba của vùng Tây Bắc Bộ, cách thành phố Sơn La khoảng 125 km về phía đông và cách Hà Nội khoảng 160 km về phía tây.

Huyện có diện tích 1.227 km² và dân số là 115.700 người (2019).