พื้นที่อุทยานแห่งชาติแม่โถตั้งอยู่บนแนวเทือกเขาสูงที่ทอดตัวยาวต่อเนื่องมาจากดอยอินทนนท์ มีสภาพป่าที่สมบูรณ์และหลากหลายประเภท เหมาะสำหรับการชมธรรมชาติและเที่ยวเล่นน้ำตก อุทยานแห่งชาติแม่โถครอบลุมพื้นที่ทั้งหมดประมาณ 306,731 ไร่ หรือ 490.77 ตารางกิโลเมตร ในท้องที่อำเภอฮอด อำเภอแม่แจ่ม จังหวัดเชียงใหม่

ในปี พ.ศ. 2517 กรมป่าไม้โดยกองอนุรักษ์ต้นน้ำ ได้ทำการสำรวจพื้นที่ล่อแหลมและพื้นที่ ถูกบุกรุกทำลายป่าจากชาวบ้านในบริเวณพื้นที่ต้นน้ำลำธารทางภาคเหนือ และมีโครงการที่จะปลูกป่าเพื่อปรับปรุง พื้นที่ต้นน้ำที่ถูกทำลายให้กลับฟื้นคืนสภาพป่าดังเดิม โดยกำหนดให้มีโครงการจัดตั้งหน่วยพัฒนาและปรับปรุงต้นน้ำขึ้น จำนวน 10 หน่วย และได้ดำเนินการจัดตั้งหน่วยพัฒนาต้นน้ำที่ 6 (ดอยแม่โถ) ขึ้นที่บ้านแม่โถ หมู่ที่ 1 ตำบลบ่อสลี อำเภอฮอด จังหวัดเชียงใหม่ ดำเนินการปลูกป่าในบริเวณพื้นที่ภูเขาสูงที่เป็นต้นน้ำลำธารที่ถูกทำลาย จนถึงปี พ.ศ. 2523 ได้ปลูกป่าเต็มพื้นที่ตามแผนงาน จึงได้ย้ายหน่วยย่อยแยกไปดำเนินการปลูกป่าที่ตำบลแม่ตื่น อำเภออมก๋อย จังหวัดเชียงใหม่ โดยในพื้นที่ที่ปลูกป่าเต็มตามแผนงานแล้ว ยังคงดำเนินการตามแผนงานการบำรุงป่าต่อไป

ต่อมาในปี พ.ศ.2534 กรมป่าไม้ได้มีคำสั่งให้เจ้าหน้าที่ไปดำเนินการสำรวจบริเวณพื้นที่ของหน่วยพัฒนาต้นน้ำที่ 6 และบริเวณใกล้เคียงเพื่อจัดตั้งเป็นอุทยานแห่งชาติ และให้ชื่อว่า “อุทยานแห่งชาติแม่โถ” อุทยานแห่งชาติแม่โถได้นำเรื่องราวการสำรวจพื้นที่ดังกล่าว ซึ่งอยู่ในพื้นที่ป่าสงวนแห่งชาติป่าขุนแม่ลาย อำเภอฮอด จังหวัดเชียงใหม่ และป่าสงวนแห่งชาติป่าแม่แจ่ม อำเภอแม่แจ่ม จังหวัดเชียงใหม่ เสนอต่อที่ประชุมคณะกรรมการอุทยานแห่งชาติ ซึ่งได้มีมติการประชุมเมื่อวันที่ 2 พฤศจิกายน 2536 เห็นชอบให้กรมป่าไม้ดำเนินการสำรวจเพื่อจัดตั้งอุทยานแห่งชาติแม่โถ ขณะนี้อยู่ระหว่างการดำเนินการสำรวจแนวเขตอุทยานแห่งชาติ

อุทยานแห่งชาติแม่โถ มีพื้นที่อยู่ระหว่างเส้นลองติจูดที่ 18 องศา 07 ลิปดา ถึง 18 องศา 29 ลิปดา เหนือ และเส้นละติจูดที่ 98 องศา 8.5 ลิปดา ถึง 98 องศา 24 ลิปดาตะวันออก มีเนื้อที่ประมาณ 990 ตารางกิโลเมตร หรือประมาณ 618,750 ไร่ อยู่ในเขตป่าสงวนแห่งชาติป่าแม่ลาย อำเภอฮอด และป่าสงวนแห่งชาติป่าแม่แจ่ม อำเภอแม่แจ่ม จังหวัดเชียงใหม่ ที่ทำการอุทยานแห่งชาติแม่โถ ตั้งอยู่ที่หน่วยพัฒนาต้นน้ำที่ 6 (ดอยแม่โถ) เดิม ในท้องที่บ้านเลาลี หมู่ที่ 9 (แยกหมู่บ้านมาจากบ้านแม่โถ หมู่ที่ 1) ตำบลบ่อสลี อำเภอฮอด จังหวัดเชียงใหม่

อาณาเขตทิศเหนือจดเส้นทาง รพช. สายแม่แจ่ม-บ้านพุย อำเภอแม่แจ่ม ทิศใต้จดทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 108 (ฮอด-แม่สะเรียง) และห้วยแม่ลอด ทิศตะวันออกจดอุทยานแห่งชาติออบหลวง และบางส่วนของทางหลวงจังหวัดหมายเลข 1088 ทิศตะวันตกจดเขตอำเภอแม่สะเรียง และอำเภอแม่ลาน้อย จังหวัดแม่ฮ่องสอน

พื้นที่อุทยานแห่งชาติแม่โถโดยทั่วไปเป็นภูเขาสูงชันสลับซับซ้อน ทอดยาวตามแนวเหนือ-ใต้ อยู่แนวเดียวกับเทือกเขา ดอยอินทนนท์ มีความสูงตั้งแต่ 400-1,699 เมตรจากระดับน้ำทะเล โดยจะมีความสลับซับซ้อนและลาดชันจากทิศใต้ขึ้นไปทางทิศเหนือ กล่าวคือ ทางทิศใต้จะมีความสลับซับซ้อนน้อยกว่าและความลาดชัน เฉลี่ยน้อยโดยเฉลี่ยประมาณ 15-20% ส่วนทางทิศเหนือของพื้นที่จะมีความลาดชันมากขึ้นไปตามลำดับประมาณ 20-48% มีความสูงเฉลี่ยประมาณ 1,000 เมตรจากระดับน้ำทะเล มียอดเขาที่สูงที่สุดคือ ยอดดอยกิ่วไร่ม้ง อยู่ในท้องที่บ้านปางหินฝน ตำบลปางหินฝน อำเภอแม่แจ่ม โดยมีความสูง 1,699 เมตรจากระดับน้ำทะเล ส่วนที่ทำการอุทยานแห่งชาติแม่โถตั้งอยู่ที่ความสูงประมาณ 1,200 เมตรจากระดับน้ำทะเล

ลักษณะภูมิอากาศโดยทั่วไปมี 3 ฤดู คือ ฤดูฝน ระหว่างเดือนพฤษภาคม-กันยายน อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุด 25 องศาเซลเซียส และต่ำสุด 10 องศาเซลเซียส ฤดูหนาว ระหว่างเดือนตุลาคม-กุมภาพันธ์ อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุด 20 องศาเซลเซียส และต่ำสุด 4 องศาเซลเซียส ฤดูร้อนระหว่างเดือนมีนาคม-เมษายน อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุด 30 องศาเซลเซียส และต่ำสุด 12 องศาเซลเซียส อุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปี สูงสุดประมาณ 27 องศาเซลเซียส และต่ำสุดประมาณ 8 องศาเซลเซียส ปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยทั้งปี 1,030 มิลลิเมตร/ปี

ชนิดป่าและพันธุ์ไม้ป่าในเขตอุทยานแห่งชาติแม่โถ ประกอบด้วย ป่าดิบชื้น พบทางด้านทิศเหนือของพื้นที่ในเขตอำเภอแม่แจ่ม พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ตะเคียนทอง ยาง จำปีป่า ยมหอม มะม่วงป่า เติม ตะคร้ำ ตีนเป็ด พืชพื้นล่างประกอบด้วย ตะคร้าน หมากเต้า พลูดิน เครือต่วย และกระชายป่า ป่าดิบเขา พบในระดับความสูงจากน้ำทะเล 800-1,400 เมตร พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ก่อแพะ ก่อเดือย ก่อตาหมู รักใหญ่ จำปาป่า พืชพื้นล่างประกอบด้วย หญ้าคมบาง ถั่วแระป่า ค้างคาวดิน สาบหมา เป็นต้น ป่าเบญจพรรณ พบโดยทั่วไปสลับกับป่าดิบเขา พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ สัก แดง ประดู่ ตะแบก เสลา ตะเคียนหนู ยาง พืชพื้นล่างประกอบด้วยพวกไม้ไผ่และหญ้า ป่าสนเขาและป่าเต็งรัง พบโดยทั่วไปส่วนใหญ่จะอยู่ในพื้นที่อำเภอฮอด จะเห็นป่าสนเขาขึ้นปะปนกับป่าเต็งรัง พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ สนสามใบ ก่อ เหมือด รักใหญ่ เต็ง รัง เหียง พลวง พืชพื้นล่างประกอบด้วย หญ้าเพ็ก ไผ่โจด และหญ้าอื่นๆ

พันธุ์สัตว์ป่าที่สำคัญ ได้แก่ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ประกอบด้วย กระทิง กวางป่า เลียงผา เก้ง หมีควาย ชะนี ลิง ค่าง อีเห็น กระต่ายป่า หมูป่า และช้างป่า ซึ่งมักจะอพยพหากินไปยังเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าอมก๋อยสลับกับดงสามหมื่นและป่าแม่ปาย นก ประกอบด้วย นกยูง ไก่ฟ้าชนิดต่างๆ ไก่ป่า นกแก้ว นกขุนทอง นกขุนแผน เหยี่ยว นกหัวขวาน ฯลฯ สัตว์เลื้อยคลาน ประกอบด้วยงูเหลือม งูหลาม งูเห่า ตะกวด แย้ เต่า ตะพาบน้ำ ฯลฯ สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก ประกอบด้วย กบชนิดต่างๆ เขียด อึ่งอ่าง ฯลฯ ปลา ยังไม่มีการสำรวจ จะมีปลาอยู่ตามลำห้วยและแม่น้ำต่าง ๆ โดยเฉพาะน้ำแม่แจ่มมีปลามากมายหลายชนิด