Huyện Nậm Nhùn là huyện vùng cao biên giới nằm ở phía Tây Bắc của tỉnh Lai Châu, cách thành phố Lai Châu 130km, theo đường tỉnh 127, quốc lộ 12, 4D. Tọa độ địa lý trong khoảng 22001’ đến 22029’ vĩ độ Bắc và từ 102044’ đến 103010’  kinh độ Đông. Phía Đông giáp huyện Sìn Hồ, tỉnh Lai Châu; phía Tây giáp huyện Nậm Pồ, tỉnh Điện Biên; phía Nam giáp thị xã Mường Lay, tỉnh Điện Biên; phía Bắc giáp huyện Mường Tè và nước Công hòa nhân dân Trung Hoa. 

Nậm Nhùn có tổng diện tích tự nhiên 138.909,80ha, chiếm 15,31% diện tích của tỉnh Lai Châu, đứng thứ 3/8 huyện, thành phố của tỉnh về diện tích, bao gồm 11 đơn vị hành chính gồm 10 xã và 01 thị trấn là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hóa của huyện. Huyện có 3 xã biên giới với tổng chiều dài đường biên giới tiếp giáp với Trung Quốc là 24,671km.