Mai Châu là một huyện vùng cao, nằm ở phía Tây Bắc tỉnh Hoà Bình, có toạ độ địa lý 20o24’ - 20o45’ vĩ bắc và 104o31’ - 105o16’ kinh đông; phía Đông giáp huyện Đà Bắc và huyện Tân Lạc, phía Tây và phía Nam giáp huyện Quan Hóa của tỉnh Thanh Hóa, phía Bắc giáp huyện Vân Hồ, tỉnh Sơn La.

Theo số liệu thống kê năm 2015, huyện Mai Châu có tổng diện tích tự nhiên là 57.127,98 ha; dân số trung bình là 54.537 người.

Địa hình Mai Châu khá phức tạp, bị chia cắt nhiều bởi hệ thống khe, suối và núi cao. Theo đặc điểm địa hình, có thể chia thành hai vùng rõ rệt:

Vùng thấp phân bố dọc theo suối Xia, suối Mùn và quốc lộ 15, có diện tích gần 2.000 ha, địa hình tương đối bằng phẳng, đất đai màu mỡ.

Vùng cao giống như một vành đai bao quanh huyện, gồm 8 xã với tổng diện tích trên 400 km2, có nhiều dãy núi, địa hình cao và hiểm trở. Độ cao trung bình so với mực nước biển khoảng 800 - 900m, điểm cao nhất là 1.536m (thuộc địa phận xã Pà Cò), điểm thấp nhất là 220m (thị trấn Mai Châu). Độ dốc trung bình từ 30 đến 35o. Nhìn tổng thể, địa hình Mai Châu thấp dần theo chiều từ Tây Bắc xuống Đông Nam.

Ở vị trí cửa ngõ của vùng Tây Bắc, khí hậu của vùng Mai Châu chịu ảnh hưởng rõ rệt của chế độ gió mùa Tây Bắc, mang sắc thái riêng của khí hậu nhiệt đới núi cao, bức xạ của vùng tương đối thấp, số giờ nóng trong ngày vào mùa hè là 5 - 6 giờ, mùa đông là 3 - 4 giờ. Độ ẩm trung bình năm đạt 82%. Khí hậu Mai Châu một năm có hai mùa rõ rệt. Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, lượng mưa tập trung nhiều nhất từ tháng 7 đến tháng 9, bình quân có 122 ngày mưa/năm, cao nhất là 146 ngày, chịu ảnh hưởng nhiều của bão lốc và gió Lào. Trong mùa mưa có gió nam luôn bổ sung độ ẩm và hơi nước, cường độ gió tương đối mạnh. Mùa khô kéo dài từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau với khí hậu khô hanh, độ ẩm xuống thấp, có ngày có sương muối, sương mù và mưa phùn giá rét. Biến động nhiệt độ trong ngày cao. Hướng gió thịnh hành là gió mùa đông bắc.

Lớp đất ở Mai Châu chủ yếu gồm các loại đất đỏ và đất mùn. Chỉ riêng hai nhóm đất này đã chiếm tới 92,02% diện tích tự nhiên. Đất có kết cấu tốt, độ phì nhiêu tự nhiên tương đối cao. Tuy nhiên, do độ dốc lớn, phân bố ở địa hình chia cắt mạnh, đất có thành phần cơ giới nhẹ nên khả năng bị rửa trôi cao.

Hệ đất đai ở Mai Châu được hình thành trên nền đá cổ hoặc trẻ, phát sinh trên các loại đá trầm tích biến chất (phiến thạch, sa thạch, đá vôi mácma trung tính). Một số nơi, do khai thác quá lâu nên đất đã bị xói mòn trơ sỏi đá. Bên cạnh các loại đất đồi núi, trên lãnh thổ Mai Châu còn có một số loại đất feralít biến đổi do trồng lúa nước và đất phù sa.

Mai Châu có nguồn tài nguyên rừng khá phong phú, chủ yếu là các kiểu rừng tự nhiên với nhiều loài cây nhiệt đới, gồm các loại gỗ quý (lát hoa, sến...), các loại cây đặc sản có giá trị (sa nhân, song....), các loại tre, nứa, luồng... Tuy nhiên, do quá trình khai thác không có kế hoạch kéo dài, thiếu tổ chức, quản lý, thêm vào đó là việc đốt phá rừng làm nương đã dẫn đến hậu quả là hiện nay nguồn tài nguyên rừng nơi đây đã nhanh bị cạn kiệt. Quá trình chặt phá thiếu tổ chức, phát nương làm rẫy của bà con đã tạo ra những trảng cỏ nghèo, độ che phủ thấp, huỷ diệt môi trường sinh sống của các loài động vật. Hiện nay, các loại động vật rừng như lợn, gấu, khỉ, vượn, hoẵng, gà lôi, rắn... trong các thảm rừng hiện còn ở Mai Châu rất hiếm, nếu có thì số lượng ít, sống tập trung trong các khu rừng cấm.

Mai Châu có hệ thống sông, suối khá dày đặc, là nguồn cung cấp nước phong phú phục vụ sản xuất và sinh hoạt của nhân dân. Ngoài hai con sông lớn chảy qua là sông Đà và sông Mã, ở Mai Châu còn có 4 con suối lớn là suối Xia dài 40 km, suối Mùn dài 25 km, suối Bãi Sang dài 10 km và suối Cò Nào dài 14 km cùng với nhiều khe, lạch, mạch nước, hệ thống các ao, hồ tự nhiên và nhân tạo.

Tuy nhiên, do địa hình có độ dốc lớn nên khả năng trữ nước của hệ thống sông, suối ở Mai Châu kém. Vào mùa khô, một số xã thường lâm vào tình trạng thiếu nước trầm trọng như Hang Kia, Pà Cò, Noong Luông, Thung Khe. Ngược lại, chính vì mất rừng và địa thế dốc đã tạo điều kiện hình thành lũ quét có sức tàn phá ghê gớm sau các trận mưa lớn trong mùa lũ.

Hệ thống núi đá của Mai Châu là nguồn đá nguyên liệu dồi dào cung cấp cho ngành xây dựng cũng như các ngành sản xuất vật liệu xây dựng. Một số xã ở vùng cao như Pù Bin, Noong Luông, Nà Mèo còn rải rác có vàng sa khoáng với trữ lượng không lớn.

Được thiên nhiên ưu đãi, cảnh quan môi trường ở Mai Châu rất đẹp, với núi non hùng vĩ, thảm rừng được bảo vệ luôn giữ màu xanh tươi. Ngoài ra, Mai Châu từ lâu đã nổi tiếng với những di tích, danh thắng là điểm thu hút đông đảo khách du lịch như: hang Khoài, hang Láng, hang Chiều, hang Bộ Đội, bản Lác (Chiềng Châu), bản Bước (Xăm Khoè), xóm Hang Kia (Hang Kia),... Hang Khoài nằm ở núi Khoài, thuộc địa phận xóm Sun, xã Xăm Khoè. Đây là một di tích khảo cổ học, là di chỉ thuộc nền văn hoá Hoà Bình. Ngoài các di vật, trong hang còn có dấu tích của bếp và mộ táng. Niên đại của hang Khoài được xác định cách ngày nay khoảng 11.000 - 17.000 năm. Di tích này đã được Bộ Văn hoá - Thông tin cấp bằng công nhận di tích khảo cổ học vào năm 1996. Hang Láng nằm ở núi Chua Luông, thuộc Bản Lác, xã Chiềng Châu, được phát hiện và khai quật vào năm 1976.