전라북도에서 가장 먼 동북 방향 소백산맥의 서쪽에 위치하고, 충청남북도·경상남북도와 인접하여 5도의 경계를 이룬다. 서쪽은 전라북도 진안군·장수군과 군계(郡界)를 이루며, 동 쪽은 경상북도 김천시와 경상남도 거창군, 북쪽은 충청남도 금산군과 충청북도 영동군과 접하여 도계(道界)를 이룬다. 지리적 좌표는 동경 127°54′~ 127°31′북위 36°04′~ 35°47′에 위치하여 우리 나라 내륙 지방의 중심부를 점유하는 산악 지대이다.

면적은 631.9㎢로 전라북도 면적 8,067.35㎢의 7.83%를 차지하며, 설천면이 25.0%로 가장 넓고, 적상면 21.5%, 안성면 15.4%, 무풍면 15.4%, 무주읍 12.6%, 그리고 부남면이 11.1%로 가장 좁은 면적을 차지한다. 전체 면적 중 임야가 81%, 농경지가 11%를 차지하며, 경지 중 논이 46%, 밭이 54%로 밭의 비율이 높다. 무주군의 총면적 중 덕유산 국립공원이 219㎢로 군 면적의 35%를 차지한다. 토지 지목별 현황은 아래와 같으며 전과 답의 비율이 가장 높다.

무주군의 지형은 전체적으로 동쪽이 높고 서쪽이 낮으며(東高西低), 남쪽은 높고 북쪽이 낮은(南高北低) 지형으로 이루어져 있다. 동부는 소백산맥(백두대간)의 일부를 이루는 삼도봉 1,177m에서 삿갓봉 1,418m 사이의 해발 고도 1,000m가 넘는 높은 산지로 구성되 어 있는데, 동부에서 서부로 갈수록 해발 고도가 낮아진다. 그리고 백암봉 1,480m과 향적봉 1,614m에서 국사봉 757m까지 동서로 이어지는 산줄기는 남쪽에서 북쪽으로 갈수록 해발 고도가 낮아진다. 북쪽에서부터 남쪽으로 삼도봉·박석산 1,171m·만리강산 1,036m· 대덕산 1,290m·초점산 1,250m·삼봉산 1,254m·수령봉 933m·대봉 1,210m·고수봉 1,250m·지봉1,302m·귀봉 1,395m·백암봉·무룡산 1,492m·삿갓봉 등 1,000m 이상의 산줄기로 연결되어 있다. 남쪽으로 장수군의 남덕유산 1,507m와 남원시의 지리산 1,915m으로 이어지는데, 무풍면·설천면·안성면의 동부 산지는 백두대간에 해당된다. 서부 산지는 동부 산지에서 시작되어 서쪽으로 뻗어 가는데, 삼도봉에서 시작되는 산줄기는 남대천의 북쪽을 따라 무주읍까지 이어진다. 이 산줄기는 석기봉 1,200m·민주지산 1,242m·천만산 943m·백하산 634m·칠봉산 521m을 거쳐 무주읍의 명산 491m와 향로봉 420m으로 연결된다. 동부의 박석산·만리강산·대덕산·초점산·삼봉산·수령봉· 대봉·고수봉에서 서쪽으로 뻗어 내린 산줄기는 무풍면의 무풍 분지를 형성한다. 백두대간의 고수봉에서는 투구봉 1,275m·투운봉1,150m·선인산 1,056m·거칠봉 1,178m의 산줄기가 석모산 404m까지 북쪽으로 뻗어 무주읍·무풍면·설천면의 경계를 이룬다. 백암봉에서 서쪽으로 연결되는 산줄기는 북쪽의 남대천 유역과 남쪽의 구량천 유역을 구분 짓는 분수계 역할을 하는데, 북서쪽으로 중봉 1,594m·향적봉·두문산 1,051m로 연결되며, 안성면과 설천면의 경계를 이룬다. 두문산에서 산줄기가 3개 방향으로 나누어진다. 먼저 북동쪽으로 금해산 837m·성지산 992m·청량산 1,117m·깃대봉 1,055m·백운산 1,010m로 이어져 설천면과 적상면의 경계를 이룬다. 북서쪽의 산줄기는 단지봉 769m·적상산 1,034m·시루봉 728m으로 이어 지면서 적상면의 가운데를 지나 동부의 괴목리와 서부의 사산리를 구분을 짓는다. 두문산에서 서쪽으로 뻗어간 산줄기는 어둔산 679m·봉화산 885m·국사봉으로 이어지는데, 이 중 봉화산에서는 북동쪽으로 산줄기가 뻗어내려 버드산 512m·구리골산 658m·시루봉 499m·마향산 730m로 이어진다. 그리고 북서쪽으로 불당산 627m·구왕산 677m·조항 산 799m로 산줄기가 연결되어 부남면과 적상면의 경계를 이룬다. 이와 같이 적상면은 4개의 산줄기(두문산~백운산, 두문산~적상산, 봉화산~마향산, 봉화산~조항산)가 남쪽에서 북쪽으로 뻗어 있어 산줄기 사이에 3개의 골짜기(괴목리와 포내리, 삼가리와 사천리, 삼유리와 방이리)가 형성되어 있다. 서쪽의 국사봉에서 북쪽으로 형제봉 579m·쌍교봉 629m· 지장산 773m·지소산 442m로 뻗어 내려 금강에 다다르며, 부남면과 진안군의 경계를 이루고 있다.

무주군은 내륙의 산간부에 위치하기 때문에 여름에는 덥고 겨울에는 추운 전형적인 대륙성 기후가 나타나며 , 4월까지 영하의 극한 기온이 나타나 농작물의 생육 기간이 비교적 짧다 .

무주군의 연평균 기온(2017년 기준)은 11.5℃이며, 최고 기온은 36.3℃(8월), 최저 기온은 -16.1℃(1월)로 나타난다. 월평균 기온은 1월 -2.5℃, 2월 0.6℃, 3월 4.3℃, 4월 12.7℃, 5월 17.2℃, 6월 21.3℃, 7월 26.1℃, 8월 24.7℃, 9월 18.9℃, 10월 13.6℃, 11월 4.4℃, 12월 -2.3℃로 나타난다. 연중 최고 기온이 나타나는 시기는 6월에서 8월까 지이며, 최저 기온이 나타나는 시기는 12월부터 1월 사이이다. 특히 내륙 지역이어서 11월 -8.2℃, 12월 -14.6℃, 1월 -16.1℃, 2월 -12.8℃, 3월 -7.7℃, 4월 -2.8℃ 등 4월까 지 영하의 기온이 나타나기도 한다. 2012년부터 2017년까지 6년 동안의 평균 기온[관측지점:농업기술센터 기상관측장비]은 11.5℃이다. 강수량(2017년 기준)은 연평균 800㎜인데, 연도별 차이가 극심해서 2012년의 경우에는 1,281.6㎜에 머문 때도 있었다. 강수량이 가장 많은 시기는 7월(206.1㎜)이며, 가장 적은 시기는 1월(7.8㎜)이다. 월별 강수량은 1월 7.8㎜, 2월 50.8㎜, 3월 30.6㎜, 4월 58.8 ㎜, 5월 20.2㎜, 6월 57.3㎜, 7월 206.1㎜, 8월 173.3㎜, 9월 80.0㎜, 10월 104.0㎜, 11 월 65.0㎜, 12월 24.0㎜이다. 2012년부터 2017년까지 6년 동안의 평균 강수량(관측지점: 읍·면 주민 자치 센터)은 960.1㎜이다. 바람(2017년 기준)은 평균 풍속 1.0㎧인데, 2012년의 볼라벤 태풍 시에는 최대 151.0㎧ 로 불기도 했다. 2012년부터 2017년까지 6년 동안 평균 풍속은 12.5㎧이나 이는 2012년의 영향이 크다. 상대 습도는 평균 74.0%이며, 일조 시간은 2,431.0시간인데, 월별로는 5 월(284.3시간)과 4월(248.5시간)이 가장 길고, 7월(139.8시간)과 1월(171.9시간)이 가장 짧다. 특히 7월(139.8시간)이 상대적으로 짧게 나타나는 것은 장마로 인한 강수일과 관련이 있다.