Sông Mã là huyện vùng cao biên giới nằm ở phía Tây Nam của tỉnh cách trung tâm Thành phố khoảng 103km. Có diện tích đất tự nhiên là 164.616 ha. Phía Bắc giáp huyện Thuận Châu, phía Nam giáp huyện Sốp Cộp và CHDCND Lào, phía Đông giáp huyện Mai Sơn, phía Tây giáp tỉnh Điện Biên. Có 19 xã và thị trấn Sông Mã: Mường Sai, Chiềng Cang, Chiềng Khoong, Chiềng Sơ, Nậm Mằn, Chiềng En, Mường Lầm, Bó Sinh, Chiềng Phung, Chiềng Khương, Mường Hung, Nà Nghịu, Huổi Một, Yên Hưng, Đứa Mòn, Pú Bẩu, Mường Cai, Nậm Ty và thị trấn Sông Mã.

Dân số trên 133.000 người, có 9 dân tộc anh em cùng chung sống (Thái, Mông, Kinh, Sinh Mun, Khơ Mú, Kháng, Mường, Lào, Tày), trong đó dân tộc Thái chiếm trên 58%. Mật độ dân số bình quân 78 người/km2.

Huyện có địa hình bị chia cắt mạnh và phức tạp, có độ cao trung bình 600 m so với mặt biển. Huyện nằm trên khối núi giữa Thuận Châu và Sốp Cộp và dãy núi biên giới Việt - Lào, dãy núi chạy dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam địa hình chia cắt phức tạp, có nhiều dãy núi cao tạo nên hình khe suối khá sâu và hẹp, cố độ cao trung bình từ 1.000 m đến 1.500 m. Độ dốc bình quân 200-300 địa hình hiểm trở, đi lại khó khăn, có độ nghiêng dồn theo hướng Nam xuôi theo dòng Sông Mã, dọc Sông Mã theo hướng Tây Bắc có các khe suối Nậm Sọi, Nặm Công, Nậm Mừ, Nậm Con và Nậm Huổi Tinh; dọc sông theo hướng Đông Bắc có suối Nậm Lẹ, Nậm Ty, Nậm Và, Nậm Phống chảy  đổ ra Sông Mã. Như vậy, ngoài ý nghĩa cảnh quan, môi trường sinh thái, quốc phòng, an ninh khu vực, huyện Sông Mã còn đóng vai trò quan trọng trong việc phòng hộ đầu nguồn.

Về khí hậu, huyện Sông Mã nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa và được chia làm hai mùa rõ rệt. Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10; mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau; mùa này chịu ảnh hưởng rất lớn của gió Lào khô và nóng thổi từ phía nước CHCND Lào sang; ảnh hưởng nhiều nhất vào đầu tháng 2 tháng 3 hàng năm, ít mưa, gió và không khó nóng làm cho vật liệu khô dễ gây ra cháy rừng.

Nhiệt độ trung bình năm là 22,4 0c, bốn tháng có nhiệt độ dưới 200c (từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau), tháng lạnh nhất là tháng 12 và tháng 1 (nhiệt độ trung bình từ 16,3 - 16,10), tháng nóng nhất là 6 và 7 (nhiệt độ trung bình từ 26,30 đến 26,40). Nhiệt độ thấp có thể xuống dưới 00 C, nhiệt độ cao nhất lên trên 400c, số ngày mưa dao động từ 110 ngày đến 140 ngày/năm.

Thuỷ văn: Huyện Sông Mã có dòng Sông Mã chảy qua địa bàn 13 xã, thị trấn với tổng chiều dài trên 80km. Cùng với đó có 7 con suối lớn như: Nậm Lẹ, Nặm Sọi, Nặm Công, Nặm Mừ, Nậm Ty, Nậm Con, Huổi Tình đa số những con suối này bị chi phối chủ yếu bởi lưu vực của Sông Mã, suối Nặm Công, Nậm Sọi mỗi suối dài 60 km bắt nguồn từ dãy núi cao ở biên giới Việt - Lào chảy qua huyện Sốp Cộp rồi đổ vào Sông Mã, nhiều con suối nhỏ bắt nguồn từ các đỉnh núi cao và các sườn đông đổ vào Sông Mã. Do địa hình khu vực có độ dốc lớn, suối ngắn, lắm đá, nhiều nghềnh nên mùa mưa thường hay xảy ra lũ ống, lũ quét; lượng mưa và số ngày mưa tập trung nhiều ở các tháng 6, 7, 8 trong năm (lượng mưa trung bình từ 1.200 đến 1.600 mm)

Huyện có 4 xã Mường Cai, Mường Hung, Chiềng Khương, Mường Sai với 43,5 km đường biên giáp với nước Cộng hoà Dân chủ nhân dân Lào. Cửa khẩu Quốc gia Chiềng Khương có ý nghĩa kinh tế, chính trị đây là cửa khẩu quan trọng thúc đẩy việc giao lưu, trao đổi hàng hoá.

Khoáng sản của huyện Sông Mã gồm: Vàng sa khoáng dưới lòng sông, bãi bồi Sông Mã; Mỏ vàng ở bản Hua Và xã Chiềng Phung; Quặng Magnezit ở xã Bó Sinh và Chiềng En; Đá vôi làm vật liệu xây dựng ở xã Mường Hung, Chiềng Cang, Nà Nghịu, Nậm Ty; Cát làm vật liệu xây dựng ở các xã dọc Sông Mã.