Thị xã Nghĩa Lộ nằm trong lòng chảo Mường Lò, ở phía Tây Nam của tỉnh Yên Bái cách trung tâm tỉnh 84 km, có tọa độ địa lý từ 21034’36” đến 21036’51” vĩ độ Bắc và 104028’26” đến 104032’10” độ kinh Đông.
- Phía Bắc giáp xã Nghĩa Sơn, huyện Văn Chấn, ranh giới dài 6 km.
- Phía Nam giáp xã Hạnh Sơn, xã Thanh Lương, huyện Văn Chấn, ranh giới dài 4 km.
- Phía Đông giáp xã Phù Nham, xã Sơn A, huyện Văn Chấn, ranh giới dài 6 km.
- Phía Tây giáp xã Pá Lau, xã Túc Đán, huyện Trạm Tấu, ranh giới dài 9km. Tổng diện tích tự nhiên của thị xã là 3.030,87 ha, gồm có 7 đơn vị hành chính trực thuộc (4 phường và 3 xã). Thị xã Nghĩa Lộ có Quốc lộ 32 và tỉnh lộ 174 chạy qua, tạo điều kiện thuận lợi về mặt giao lưu kinh tế - xã hội với các huyện trong tỉnh, cũng như các tỉnh bạn: Lào Cai, Sơn La, Lai Châu, Phú Thọ... [22].
* Địa hình, địa mạo
Thị xã Nghĩa Lộ nằm ở độ cao trung bình so với mực nước biển 250 m. Địa hình của thị xã được phân thành 2 khu vực:
- Khu vực miền núi: chủ yếu là địa hình đồi núi thấp, có 2 dãy núi Pú Trạng và Pú Luông (đỉnh cao nhất có độ cao 725 m nằm trên giữa ranh giới phường Pú Trạng với xã Nghĩa An và xã Nghĩa Sơn huyện Văn Chấn). Tập trung chủ yếu ở xã Nghĩa An, xã Nghĩa Phúc và phường Pú Trạng.
- Khu vực đồng bằng: địa hình tương đối bằng phẳng, có độ nghiêng của địa hình từ Tây sang Đông, từ Nam đến Bắc. Tập trung tại các phường: Tân An, Trung Tâm, Pú Trạng, Cầu Thia và xã Nghĩa Lợi.
Với địa hình như vậy, rất thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp - lâm nghiệp và quy hoạch xây dựng đô thị [22].
* Khí hậu
Thị xã Nghĩa Lộ mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa và chịu ảnh hưởng của địa hình.
- Nhiệt độ: trung bình từ 22 - 230C, có những năm mùa đông rét đậm nhiệt độ xuống tới 4 - 50C.
- Mưa: từ tháng 11 đến tháng 5 năm sau mưa ít, từ tháng 6 đến tháng 10 là thời kỳ mưa nhiều, lượng mưa trung bình cả năm 1550 mm, cao nhất là 2430 mm. Số ngày mưa phùn trung bình là 5,1 ngày/năm.
- Độ ẩm bình quân 84%, thấp nhất 62%.
- Ánh sáng: thời kỳ chiếu sáng nhiều nhất từ tháng 5 đến tháng 9, ít nhất từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Tổng thời gian chiếu sáng trong năm là 1616 - 1766 giờ, lượng bức xạ thực tế đến được mặt đất bình quân cả năm 45%.
- Gió: tốc độ trung bình 1 m/s, hướng gió chủ đạo hướng Đông, Đông Bắc, Đông Nam.
- Dông bão: số ngày có dông trung bình 56,5 ngày/năm, bão ít xuất hiện, có hiện tượng sét đánh.
- Sương muối thường xuất hiện từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau, mỗi tháng có từ 2 - 3 ngày, mỗi ngày kéo dài từ 1 - 2 giờ.
Với đặc điểm khí hậu như vậy, rất thuận lợi cho phát triển các cây lương thực, thực phẩm, cây công nghiệp, cây ăn quả [22].
* Thủy văn
Do địa hình và lượng mưa lớn hàng năm đã tạo cho thị xã Nghĩa Lộ có 3 con suối lớn chảy qua, có tốc độ dòng chảy lớn và lưu lượng nước thay đổi theo từng mùa, mùa khô nước cạn, mùa mưa dễ gây lũ lụt lớn.
Các còn suối đều được bắt nguồn từ vùng núi cao, độ dốc lớn, hầu hết các suối chảy qua thung lũng đều có các đập chắn nước để tưới cho các đồng ruộng phục vụ sản xuất nông lâm nghiệp, trong đó:
- Suối Thia là dòng chính chảy dọc ở thung lũng cánh đồng Mường Lò, theo hướng từ Nam đến Bắc ra sông Hồng. Suối Thia có lưu vực 1.362 km2, là nguồn phụ lưu cấp I lớn nhất của sông Hồng, được bắt nguồn từ vùng núi Trạm Tấu với chiều dài 165 km, đoạn chảy qua thị xã khoảng 7,5 km. Độ cao bình quân của lưu vực Suối Thia là 907 km, độ chênh lệch lưu lượng giữa mùa lũ và mùa cạn lên tới 480 lần. Trong mùa mưa lũ thường gây thiệt hại cho sản xuất và sinh hoạt của nhân dân ven Suối.
- Suối Nậm Đông chảy qua địa phận xã Nghĩa Phúc, phường Pú Trạng, xã Nghĩa An với tổng chiều dài 12 km [22].
- Suối Nậm Tộc chảy qua địa phận xã Nghĩa Phúc.