米林县地处西藏东部、雅鲁藏布江中游、念青唐古拉山与喜马拉雅山之间。西部与朗县、北部与林芝县、西北部与工布江达县相毗邻，南部与印度接攘，边境线长180公里。

全县东西狭长，西高东低，多宽谷，相对高度相差较小，全县平均海拔3700米，呈山河谷地形。

米林县属高原温带半湿润季风气候区，年平均气温8.2℃，降水量641毫升，85的雨水集中在6－9月份，无霜期为170天。印度洋与孟加拉湾暖流通过雅鲁藏布江通道，形成亚热带、温带、寒带并存的特殊气候。