Huyện Quỳnh Nhai nằm ở cực bắc của tỉnh Sơn La, có dòng sông Đà chảy qua và phần lớn hồ thuỷ điện Sơn La nằm trên địa bàn huyện. Trung tâm huyện cách thành phố Sơn La 60 km về phía bắc.

Huyện có địa giới hành chính:

• Phía đông giáp huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu và huyện Mường La
• Phía tây giáp các huyện Tủa Chùa và Tuần Giáo thuộc tỉnh Điện Biên
• Phía nam giáp huyện Thuận Châu
• Phía bắc giáp các huyện Sìn Hồ và Tân Uyên thuộc tỉnh Lai Châu.

Huyện có diện tích 1.049,07 km²[1], dân số năm 2011 là 58.493 người[2].