Toạ độ địa lý: 21° 04' 09" - 20° 34' 38" vĩ độ Bắc;
104° 37' 39" - 105° 05' 00" kinh độ Đông.
Phía Đông giáp huyện Mai Châu - tỉnh Hòa Bình.
Phía Tây giáp huyện Mộc Châu, tỉnh Sơn La.
Phía Nam giáp các huyện Mường Lát, Quan Hóa - tỉnh Thanh Hóa và nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào (có 2,5 km đường biên giới với 2 cột mốc 269-270).
Phía Bắc giáp huyện Phù Yên - Sơn La và huyện Đà Bắc - tỉnh Hòa Bình
Về vị trí và mối liên hệ trong Vùng Trung du miền núi Bắc Bộ, Vân Hồ là khu vực có những lợi thế không nhỏ thể hiện ở những điểm sau:
Thứ nhất: Vân Hồ là cửa ngõ kết nối các tỉnh vùng Tây Bắc với Hà Nội và vùng đồng bằng sông Hồng thông qua Quốc lộ 6.
Thứ hai: Vân Hồ là một trong những điểm nút giao thông quan trọng trên Quốc lộ 6, từ Vân Hồ có thể kết nối thuận lợi với huyện Mộc Châu, thành phố Sơn La, tỉnh Hòa Bình, tỉnh Điện Biên và tỉnh Lai Châu.
Thứ ba: Vân Hồ có điều kiện khí hậu đa dạng đặc trưng, nền nhiệt độ thấp, có điều kiện khí hậu tương tự các khu vực nổi tiếng về du lịch nghỉ dưỡng ở Việt Nam như : Sa Pa, Tam Đảo, Bà Nà, Đà Lạt, Bạch Mã... Vân Hồ có quỹ đất rộng, diện tích đất chưa sử dụng còn tương đối lớn. Đây là điều kiện thuận lợi để khai thác phát triển sản xuất nông - lâm nghiệp và du lịch, tạo đà cho phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng của huyện, góp phần xây dựng tuyến biên giới Việt - Lào hoà bình - hữu nghị và hợp tác.
Địa hình: Huyện Vân Hồ nhìn chung phức tạp, độ cao trung bình khoảng 700 m - 800 m so với mặt nước biển; nghiêng theo hướng Tây Nam - Đông Bắc tạo hướng chảy chính cho sông, suối trong vùng và bị chia cắt, có các dạng địa hình chính sau:
- Các xã dọc sông Đà có địa hình thấp, độ cao trung bình khoảng 400 m - 600 m so với mặt nước biển, bị chia cắt mạnh, phần lớn là đất dốc (gồm các xã Suối Bàng, Song Khủa, Liên Hòa, Mường Tè và Quang Minh).
- Các xã dọc QL 6 có độ cao trung bình khoảng 800 m - 1000 m so với mặt nước biển, địa hình tương đối bằng phẳng, đồi bát úp xen lẫn phiêng bãi chạy dài (gồm các xã Vân Hồ, Lóng Luông, Chiềng Yên, Mường Men, Chiềng Khoa và Tô Múa)
- Các xã giáp biên gồm Tân Xuân và Chiềng Xuân có địa hình cao, độ cao trung bình so với mực nước biển từ 900 m đến 1300 m. Địa hình nằm xen kẽ giữa các khe, suối, dãy núi cao là các phiêng bãi tương đối bằng phẳng nhưng không liên tục.
Sự đa dạng về địa hình cùng với yếu tố khí hậu đặc trưng, cho phép Vân Hồ phát triển sản xuất nông nghiệp hàng hóa đa dạng, tạo ra lợi thế cạnh tranh trong quá trình phát triển.