Huyện Sa Pa có diện tích tự nhiên 67.864 ha, chiếm 8,24% diện tích tự nhiên của tỉnh, nằm trong tọa độ địa lý từ 22007’04’’ đến 22028’46’’ vĩ độ bắc và 103043’28’’ đến 104004’15’’ độ kinh đông.

- Phía Bắc giáp huyện Bát Xát.

- Phía Nam giáp huyện Văn Bàn.

- Phía Đông giáp huyện Bảo Thắng.

- Phía Tây giáp huyện Than Uyên và Tam Đường- tỉnh Lai Châu.

- Trung tâm huyện cách thành phố Lào Cai 37 km về phía Tây Nam, nằm trên trục quốc lộ 4D từ Lào Cai đi Lai Châu.

Khí hậu:

Do ảnh hưởng của các yếu tố địa hình, địa mạo phức tạp, bị chia cắt mạnh và với vị trí địa lý đặc biệt, nhiệt độ trung bình hàng năm ở Sa Pa là 15,4oC, nhiệt độ trung bình từ 18-20oC vào tháng mùa hè, vào các tháng mùa đông 10-12oC. Nhiệt độ thấp nhất vào tháng 1 là 0oC (đặc biệt có những năm xuống tới - 3,2oC). Do đặc điểm của các khu vực khác nhau nên đã tạo ra các vùng sinh thái khác nhau và có nhiệt độ khác nhau trong cùng thời điểm.

Sa Pa có khí hậu mang sắc thái ôn đới và cận nhiệt đới, không khí mát mẻ quanh năm. Thời tiết ở thị trấn một ngày có đủ bốn mùa: buổi sáng là tiết trời mùa xuân, buổi trưa tiết trời như vào hạ, thường có nắng nhẹ, khí hậu dịu mát, buổi chiều mây và sương rơi xuống tạo cảm giác lành lạnh như trời thu và ban đêm là cái rét của mùa đông. Nhiệt độ không khí trung bình năm của Sa Pa là 15 °C. 

Mùa hè, thị trấn không phải chịu cái nắng gay gắt như vùng đồng bằng ven biển, khoảng 13 °C – 15 °C vào ban đêm và 20 °C – 25 °C vào ban ngày. Mùa đông thường có mây mù bao phủ và lạnh, nhiệt độ có khi xuống dưới 0 °C, đôi khi có tuyết rơi. Lượng mưa trung bình hàng năm ở đây khoảng từ 1.800 đến 2.200 mm, tập trung nhiều nhất vào khoảng thời gian từ tháng 5 tới tháng 8.Thị trấn Sa Pa là một trong những nơi hiếm hoi của Việt Nam có tuyết. Trong khoảng thời gian từ 1971 tới 2011, 15 lần tuyết rơi tại Sa Pa. Lần tuyết rơi mạnh nhất vào ngày 13 tháng 2 năm 1968, liên tục từ 3 giờ sáng đến 14 giờ cùng ngày, dày tới 20 cm.