จังหวัดแม่ฮ่องสอน เป็นจังหวัดชายแดนอยู่ทางภาคเหนือตอนบน ตั้งอยู่ทางภาคเหนือไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือของประเทศไทย ระหว่างเส้นรุ้ง(ละติจูด) ที่ 17 องศา 38 ลิปดา – 19 องศา 48 ลิปดาเหนือ  และเส้นแวง(ลองติจูด)  ที่ 97 องศา 20 ลิปดา – 98 องศา 39 ลิปดาตะวันออก ห่างจากกรุงเทพมหานครประมาณ 924 กิโลเมตร มีเนื้อที่ประมาณ 12,780.493232 ตารางกิโลเมตร (หรือประมาณ 7,987,808.27 ไร่) เป็นจังหวัดที่มีขนาดใหญ่เป็น 3 ของภาคเหนือ และเป็นอันดับ 8 ของประเทศ พื้นที่มีรูปร่างเรียวยาวจากทิศเหนือจรดทิศใต้ มีความยาวประมาณ 250 กิโลเมตร และความกว้างประมาณ 95 กิโลเมตร พื้นที่ส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ป่าไม้ ประมาณ 10,976.979104 ตารางกิโลเมตร (หรือประมาณ 6,860,611.94 ไร่) คิดเป็นร้อยละ 85.99 ของพื้นที่จังหวัด มีพี้นที่ถือครองทางการเกษตร ประมาณ 498.8256 ตารางกิโลเมตร (หรือประมาณ 311,766 ไร่) คิดเป็นร้อยละ 3.90 ของพี้นที่จังหวัด

ทุกอำเภอของจังหวัดแม่ฮ่องสอน มีเขตแดนติดต่อกับสาธารณรัฐแห่งสหภาพเมียนมา (ประเทศเมียนมา) รวมระยะทางประมาณ 483 กิโลเมตร โดยเป็นพื้นดินประมาณ 362 กิโลเมตร เป็นแม่น้ำประมาณ 157 กิโลเมตร แบ่งเป็นแม่น้ำสาละวิน 127 กิโลเมตร และแม่น้ำเมย 30 กิโลเมตร

อาณาเขตติดต่อกับจังหวัดใกล้เคียงและประเทศเพื่อนบ้าน เป็นดังนี้

  • ทิศเหนือ/ทิศตะวันตก ติดต่อกับรัฐฉาน รัฐคะยาและรัฐคอทูเล ประเทศเมียนมา โดยมีเทือกเขาถนนธงชัยตะวันตก แม่น้ำสาละวิน และแม่น้ำเมย เป็นแนวพรมแดนกั้นระหว่างประเทศ
  • ทิศใต้ ติดต่อกับอำเภอท่าสองยาง จังหวัดตาก โดยมีแม่น้ำยวมและแม่น้ำเงา เป็นแนวเขตระหว่างจังหวัด
  • ทิศตะวันออก ติดต่อกับอำเภอเวียงแหง เชียงดาว แม่แตง สะเมิง กัลยาณิวัฒนา แม่แจ่ม ฮอด และอมก๋อย(จากเหนือลงใต้) จังหวัดเชียงใหม่ โดยมีเทือกเขาถนนธงชัยกลาง และเทือกเขาถนนธงชัยตะวันออก เป็นแนวเขตระหว่างจังหวัด