อำเภอปายตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือของจังหวัด มีอาณาเขตติดต่อกับเขตการปกครองข้างเคียง ดังนี้
ทิศเหนือ ติดต่อกับเมืองปั่น จังหวัดตองยี รัฐฉาน (ประเทศพม่า)
ทิศตะวันออก ติดต่อกับอำเภอเวียงแหง อำเภอเชียงดาว และอำเภอแม่แตง (จังหวัดเชียงใหม่)
ทิศใต้ ติดต่อกับอำเภอสะเมิงและอำเภอกัลยาณิวัฒนา (จังหวัดเชียงใหม่)
ทิศตะวันตก ติดต่อกับอำเภอเมืองแม่ฮ่องสอนและอำเภอปางมะผ้า
