Nậm Nhùn là huyện vùng cao biên giới của tỉnh Lai Châu, cách thành phố Lai Châu 130km (theo tỉnh lộ 127, quốc lộ 12, 4D); cách Hà Nội khoảng 600km (theo quốc lộ 12). Tọa độ địa lý trong khoảng 22000’ 43,4274’’ đến 22031’ 06,8644’’ vĩ độ Bắc và từ 102043’ 38,0211’’ đến 103012’ 14,5108’’ kinh độ Đông. Phía Đông giáp huyện Sìn Hồ, 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 huyện Kim Bình, tỉnh Vân Nam (Trung Quốc). Huyện có 3 xã tiếp giáp với huyện Kim Bình (tỉnh Vân Nam, Trung Quốc), với tổng chiều dài đường biên giới là 24,671km.

Nậm Nhùn có tổng diện tích tự nhiên 138.804,16ha, chiếm 15,3% diện tích của tỉnh Lai Châu, đứng thứ 3/8 huyện, thành phố của tỉnh về diện tích. Huyện có 11 đơn vị hành chính gồm 10 xã và 1 thị trấn Nậm Nhùn là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hóa của huyện.