สภาพภูมิประเทศส่วนใหญ่ของอุทยานแห่งชาติดอยฟ้าห่มปกเป็นภูเขาสูงสลับซับซ้อน ทอดยาวในแนวเหนือ-ใต้ โดยเป็นส่วนหนึ่งของเทือกเขาแดนลาว มีระดับความสูงตั้งแต่ 400-2,285 เมตร จากระดับน้ำทะเล มีภูเขาที่สำคัญคือ ดอยปู่หมื่น ดอยแหลม และดอยฟ้าห่มปก ซึ่งมีความสูงเป็นอันดับ 2 ของประเทศไทย เป็นต้นกำเนิดของลำห้วยที่สำคัญหลายสาย เช่น ห้วยแม่ใจ ห้วยแม่สาว น้ำแม่กึมหลวง น้ำแม่ฮ่าง น้ำแม่แหลง ทิศเหนือและทิศตะวันตกมีอาณาเขตติดต่อกับประเทศเมียนม่าร์ ทิศใต้มีอาณาเขตติดต่อกับอุทยานแห่งชาติเชียงดาว ในเขตท้องที่ตำบลหนองบัว อำเภอไชยปราการ จังหวัดเชียงใหม่ ทิศตะวันออกติดต่อกับพื้นที่ 5 ตำบลของอำเภอฝาง คือ ตำบลเวียง ตำบลโป่งน้ำร้อน ตำบลม่อนปิ่น ตำบลแม่สูน ตำบลแม่งอน พื้นที่ 4 ตำบลของอำเภอแม่อาย คือ ตำบลมะลิกา ตำบลแม่อาย ตำบลแม่สาว ตำบลท่าตอน และพื้นที่ 2 ตำบลของอำเภอไชยปราการ คือ ตำบลหนองบัว และตำบลปงตำ

สภาพภูมิอากาศโดยทั่วไป มีอุณหภูมิเฉลี่ยตลอดทั้งปีประมาณ 25.4 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสูงสุดอยู่ในเดือนเมษายนประมาณ 39.1 องศาเซลเซียส และฝนตกชุกระหว่างเดือนพฤษภาคม-กันยายน ปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยตลอดทั้งปีประมาณ 1,183.5 มิลลิเมตร มีอากาศหนาวเย็นในช่วงเดือนพฤศจิกายน-กุมภาพันธ์ อุณหภูมิเฉลี่ย 14-19 องศาเซลเซียส ยอดดอยมีอุณหภูมิต่ำสุดในช่วงฤดูหนาวเฉลี่ยประมาณ 2 องศาเซลเซียส สำหรับในช่วงฤดูร้อนอุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 14 องศาเซลเซียส