Mộc Châu là huyện miền núi, biên giới nằm ở phía đông nam của tỉnh Sơn La. Độ cao trung bình so với mặt nước biển 1.050 m. Tọa độ địa lý 20o63′ vĩ độ bắc và 104o30′ – 105o7′ kinh độ đông, có đường biên giới chung dài 40,6 km. Phía đông và đông nam giáp huyện Vân Hồ, phía tây giáp huyện Yên Châu, phía nam giáp huyện Vân Hồ và huyện Sốp Bâu, tỉnh Hủa Phăn (nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào), phía bắc giáp 2 huyện Phù Yên, Bắc Yên (Sông đà là ranh giới). Từ thành phố Sơn La đến huyện Mộc Châu đi theo quốc lộ 6 dài 115 km. Từ Hà Nội đến huyện Mộc Châu theo quốc lộ 6 dài 195 km.
Mộc Châu là vùng đất có địa hình cácxtơ (núi đá vôi), có nhiều núi, đồi cao nhấp nhô, nằm gối kề nhau chạy theo hướng tây bắc – đông nam, xen lẫn với những vùng cao nguyên rộng lớn là những vùng thảo nguyên, lòng chảo, những khe vực, suối, sông làm cho địa hình Mộc Châu trở nên đa dạng. Mộc Châu được xếp vào miền đất có vị trí mang tính chất tiếp xúc giữa nhiều hệ thống địa lý.
Núi đá vôi ở Mộc Châu có độ cao trung bình từ 1.100 m – 1.300 m so với mặt nước biển, trong đó có đỉnh Pha Luông nằm ở phía nam huyện là ngọn núi cao nhất, với độ cao 1.880 m. Các cao nguyên và bồn địa (đồng bằng giữa núi) làm nên yếu tố địa hình mang tính đặc thù của miền đất Mộc Châu. Riêng cao nguyên Mộc Châu có độ cao trung bình 1.050 m.
Hiện nay, huyện Mộc Châu có tổng diện tích tự nhiên 108.166 ha. Đất nông nghiệp 84.020,99 ha chiếm 77,68 % tổng diện tích tự nhiên, trong đó đất sản xuất nông nghiệp 33.596,96 ha chiếm 31,1%; đất lâm nghiệp 50.303,05 ha chiếm 46,5%; đất nuôi trồng thủy sản 99,86 ha chiếm 0,09%; đất nông nghiệp khác 21,12 ha chiếm 0,02%. Đất phi nông nghiệp 4.758,15 ha chiếm 4,4%, trong đó đất ở 813,06 ha chiếm 0,75%; đất chuyên dùng 2.114,20 ha chiếm 1,95%; đất tôn giáo, tín ngưỡng 2,00 ha chiếm 0,002%; đất nghĩa trang, nghĩa địa 319,25 ha chiếm 0,295%; đất sông suối và mặt nước chuyên dùng 1.509,55 ha chiếm 1,396%; đất phi nông nghiệp khác 0,09 ha. Đất chưa sử dụng 19.386,86 ha chiếm 17,92% diện tích tự nhiên của huyện. Đây là tiềm năng để mở rộng quỹ đất sản xuất nông, lâm nghiệp cũng như đáp ứng một phần các nhu cầu về đất cho mục đích chuyên dùng.
Nhờ các vận động địa chất và địa lý đã tạo nên hai dạng thổ nhưỡng cơ bản cho Mộc Châu. Đất frealít đỏ nâu phát triển trên nền phong hóa từ đá vôi (đá mẹ) tức là đồi núi, cao nguyên. Đây là loại đất tốt có nhiều mùn, thích hợp cho các loại cây trồng khô, đặc biệt các loại cây công nghiệp như chè, cà phê… và những phiêng bãi, những đồi trọc rộng có độ dốc ít, đó là những cánh đồng cỏ màu mỡ rất thuận lợi cho việc phát triển chăn nuôi gia súc lớn. Đất phù sa cổ, phân bố dọc các thung lũng, các bồn địa giữa núi hoặc các vạt nhỏ ven chân núi. Đất này tầng dày, thuận lợi về thủy lợi để canh tác lúa nước và trồng cây ăn quả. Vì thế, vùng đất này đã trở thành một vùng quần cư, là một trong những khu vực kinh tế trọng yếu của huyện, của tỉnh.
Khí hậu Mộc Châu chia thành hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 9, mùa khô từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau. Tuy nhiên do nằm ở vùng cao nguyên có độ cao lớn, lại có địa hình cánh cung mở đón hướng gió, nên vùng núi Mộc Châu là nơi tiếp nhận sớm và chịu ảnh hưởng sâu sắc của gió mùa đông bắc, gió thổi từ Lào sang, nên ở đây có yếu tố khí hậu á nhiệt đới mà rõ rệt nhất là các xã dọc quốc lộ 6 và lân cận. Khí hậu ở đây rất mát mẻ, nhiệt độ trung bình từ 18 đến 23oC, nhiệt độ chênh lệch giữa ngày và đêm 8oC; độ ẩm trung bình 85% và là nơi có lượng bốc hơi thấp nhất tỉnh, trung bình 572 mm/năm. Mộc Châu là huyện có lượng mưa khá dồi dào, số ngày mưa trung bình 186 ngày/năm, lượng mưa trung bình năm từ 1.400 – 1.500 mm và là huyện có số ngày mưa phùn cao nhất tỉnh, trung bình 50 ngày một năm. Đây còn là vùng chịu ảnh hưởng của một số cơn bão và gió mùa đông bắc nên mùa khô khá lạnh và thường xuyên bị sương muối, số ngày có sương muối trung bình là 5 ngày/năm. Đặc biệt, Mộc Châu là huyện có số ngày sương mù cao nhất tỉnh, trung bình trên 80 ngày/năm, chính vì vậy Mộc Châu được mệnh danh là “xứ sở của sương mù” hay “Mường Mọk”.
Với kiến tạo địa chất trên, Mộc Châu còn là nơi gặp gỡ của nhiều sông suối. Trong đó, sông Đà là con sông lớn nằm ở phía bắc của huyện, chảy qua xã Tân Hợp đến xã Quy Hướng. Suối Sặp chảy qua huyện Mộc Châu dài 85 km. cùng với suối Quanh, suối Đôn, suối Giăng… tổng chiều dài tới 247 km, giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển của miền đất này.
Hiện tại, sông Đà thuộc hệ thống sông lớn nhất ở khu vực Tây Bắc nước ta, đặc điểm nổi bật là độ dốc dòng sông lớn, dòng chảy mạnh, nhất là vào mùa lũ, nên có tiềm năng để xây dựng thủy điện. Năm 1994, công trình thủy điện Hòa Bình hoàn thành, năm 2014 công trình thủy điện Sơn La hoàn thành là nơi cung cấp nguồn điện năng lớn nhất cho cả nước, đồng thời tạo thành vùng lòng hồ sông Đà rộng lớn. Các dòng sông, suối và hồ nước đó không những có vai trò điều tiết nước cho sinh hoạt và sản xuất của nhân dân mà còn có tác dụng điều hòa khí hậu địa phương, cung cấp thủy sản và thuận tiện giao thông đường thủy.
Do độ cao và độ che phủ của thảm thực vật thấp nên lưu lượng nước thiếu ổn định, khả năng giữ nước rất hạn chế thường gây lũ quét, sạt lở đất và xói mòn mạnh. Mùa khô nhiều suối bị kiệt nước, thậm chí không còn nước gây ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống của nhân dân. Mộc Châu còn có 03 hồ chứa (hồ rừng thông bản Áng – Đông Sang, hồ Nà Sài – Hua Păng, hồ Ta Niết – Chiềng Hắc), 51 công trình phai kiên cố (đập xây), 13 phai rọ thép, 91 phai tạm. Mặt nước hồ là nguồn quan trọng cung cấp nước cho sản xuất và sinh hoạt của dân cư, nhất là trong mùa khô. Nước chủ yếu là nguồn nước mưa được lưu giữ trong các ao, hồ chứa, kênh mương, mặt ruộng và hệ thống sông suối. Nguồn nước mặt phân bố không đều cả về thời gian và không gian, nguồn nước dồi dào về mùa mưa và cạn kiệt về mùa khô, phần lớn mặt nước các sông, suối đều thấp so với mặt bằng canh tác và khu dân cư nên hạn chế khả năng khai thác sử dụng vào sản xuất và đời sống. Tuy nhiên do ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường từ các khu dân cư, các điểm chế biến nông sản… nên chất lượng một số nguồn nước bị giảm, ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt của nhân dân. Hiện nay việc phân tích chất lượng nguồn nước mặt để phục vụ sinh hoạt của nhân dân theo các quy chuẩn quốc gia đều chưa thực hiện được.
Nguồn nước ngầm của huyện hiện tại chưa có điều kiện thăm dò, khảo sát đầy đủ. Song, trong thực tế sự tích tụ của hồ thuỷ điện Hoà Bình làm cho các khe nứt, hệ thống hang động dưới 115m ở vùng Mộc Châu hoạt động trở lại, đã đẩy mực nước ngầm lên cao hơn. Ở các khu vực còn lại nước ngầm đã được nhân dân khai thác tương đối hiệu quả để phục vụ sinh hoạt. Một số năm gần đây do độ che phủ của thảm thực vật giảm nên nguồn nước ngầm cũng bị giảm đáng kể, một số khu vực các giếng đào đã bị cạn nước về mùa khô. Vì vậy để đảm bảo có đủ nước phục vụ đời sống của nhân dân trong vùng cần quan tâm sử dụng các biện pháp dự trữ nước mặt, nước mưa trong mùa khô như: đắp đập, xây bể chứa nước… kết hợp với các biện pháp khoanh nuôi, bảo vệ và trồng rừng ở các khu vực đầu nguồn.
Mộc Châu có một số loại khoáng sản chính: Than bùn ở xã Tân Lập có thể khai thác để sản xuất phân bón phục vụ sản xuất nông nghiệp. Mỏ đồng Sao Tua ở xã Tân Hợp đang được khai thác phục vụ sản xuất công nghiệp. Mỏ đồng với trữ lượng nhỏ nằm rải rác tại các xã: Hua Păng, Nà Mường, Quy Hướng. Ngoài ra, Mộc Châu còn có nguồn đá vôi và đất sét với trữ lượng tương đối lớn cho phép phát triển sản xuất gạch, ngói, vật liệu xây dựng thông thường.
Mộc Châu có diện tích rừng đặc dụng 2.338,112 ha; rừng phòng hộ 27.690,867 ha; rừng sản xuất 23.052,472 ha. Độ che phủ của rừng 47% tổng diện tích tự nhiên. Có khoảng 456 loài thực vật thuộc 4 ngành với các loại gỗ quý phân bố trên toàn địa bàn như pơ mu, bách xanh, thông, trò chỉ, nghiến… Có 48 loài động vật hoang dã thuộc 19 họ của 8 bộ với các loài động vật như gấu, hổ, hoẵng, lợn rừng…
