Thị xã Nghĩa Lộ có diện tích tự nhiên là 29,96 km2 nằm ở phía Tây tỉnh Yên Bái, cách trung tâm tỉnh lỵ 84km theo quốc lộ 32. Phía Bắc, phía Đông, phía Nam giáp huyện Văn Chấn, phía tây giáp huyện Trạm Tấu của tỉnh.

Nghĩa Lộ nằm trong vùng đất cổ thuộc cấu tạo địa chất Indonixit với hệ thống kiến tạo địa máng mang đậm nét của vùng Tây Bắc Việt Nam. Nằm ở trung tâm vùng lòng chảo Mường Lò rộng lớn, thị xã có địa hình tương đối bằng phẳng, theo hướng nghiêng từ Tây sang  Đông, từ Nam lên Bắc, độ cao trung bình 250m so với mặt biển, xung quanh là những dãy núi cao bao bọc.

Vị trí địa lý và địa hình đó đã tạo ra cho Nghĩa Lộ các yếu tố khí hậu mang đặc trưng của tiểu vùng khí hậu Tây Bắc, trong năm có 4 mùa rõ rệt. Nhiệt độ trung bình của cả năm là 22,50C, trong đó tháng trung bình cao nhất là 27,40C, trung bình tháng thấp nhất là 16,40C. Là địa phương có số giờ nắng cả năm hơn 1700 giờ, cao hơn các nơi khác trong tỉnh. Lượng bức xạ nhiệt luôn dương tạo ra các sinh khối lớn thuận tiện cho sự phát triển của cây lúa và các loại cây hoa quả có hạt như nhãn, vải....

Với lượng mưa trung bình một năm từ 1400mm-1600mm, là nơi có lượng mưa thấp so với một số địa phương trong tỉnh. Mưa lớn tập trung vào các tháng 5, 8; mưa nhỏ, lượng mưa không đáng kể tập trung vào tháng 11, 12.

Là khu vực nằm sâu trong nội địa, độ ẩm Nghĩa Lộ thường thấp hơn so với một số nơi trong tỉnh. Độ ẩm tương đối 84% rất thích hợp phát triển cây lương thực, cây công nghiệp, cây ăn quả.

Nguồn tài nguyên đất của thị xã Nghĩa Lộ mang đặc trung địa hình bồn địa, được kiến tạo bồi đắp bằng vật liệu rửa trôi. Với tầng mùn tương đối, tầng dày phong hóa lớn, độ dốc nhỏ đã tạo nên một vùng trọng điểm cây lương thực mà chủ yếu là cây lúa của tỉnh. Trong tổng diện tích đất tự nhiên, diện tích nhóm đất nông nghiệp chiếm 2.069,9ha, trong đó, đất sản xuất nông nghiệp 1.297,4ha, đất lâm nghiệp chiếm 725,05ha; nhóm đất phi nông nghiệp 587,33 ha, đất chưa sử dụng 333,51ha.

Khoáng sản của thị xã Nghĩa Lộ nhìn chung nghèo nàn. Hiện tại, chưa tìm thấy ở địa phương một điểm mỏ nào ngoài nhóm vật liệt xây dựng như đất pha sét để sản xuất gạch và cát, đá, sỏi được khai thác ở ven ngòi, ven suối.

Trên một diện tích hẹp, song chế độ thủy văn ở đây khá phong phú. Bao quanh là Ngòi Thia, Ngòi Nung, Suối Đôi. Ngòi Thia là nguồn phụ lưu cấp I lớn nhất của sông Hồng, được bắt nguồn từ vùng núi Trạm Tấu với chiều dài 165km, đoạn chảy qua thị xã khoảng 5km. Độ cao bình quân của lưu vực Ngòi Thia tới 907km, độ chênh lệch lưu lượng giữa mùa lũ và mùa cạn lên tới 480 lần. Đây là yếu tố gây bất lợi cho khai thác tiềm năng nước mặt của Ngòi Thia ở những nơi có nó đi qua. Trong mùa mưa lũ thường gây thiệt hại cho sản xuất, đời sống của nhân dân ven ngòi. Tuy nhiên, cùng với tài nguyên nước ngầm, hệ thống ngòi suối là nơi cung cấp nước chủ yếu cho sản xuất và sinh hoạt.

Các yếu tố về địa hình, khí hậu, tài nguyên đất, thủy văn...đã tạo điều kiện thuận lợi cho thị xã phát triển kinh tế- xã hội. Tuy nhiên những mặt trái của nó cũng có những ảnh hưởng bất lợi đến sản xuất và đời sống sinh hoạt.

    Địa lý hành chính

Thị xã Nghĩa Lộ hiện là thị xã trực thuộc tỉnh, có 7 đơn vị hành chính trực thuộc gồm 4 phường: Tân An, Trung Tâm, Pú Chạng, Cầu Thia và 3 xã: Nghĩa An, Nghĩa Lợi, Nghĩa Phúc.

Trong suốt chiều dài lịch sử, thị xã Nghĩa Lộ ngày nay đã trải qua nhiều lần thay đổi địa giới hành chính.

Thời Hùng Vương dựng nước, mảnh đất này là một trong những địa bàn cư trú quan trọng của cư dân Lạc Việt, vùng đất nằm trong lãnh thổ của Nhà nước Văn Lang.

Thời Tam Quốc, Nhà Ngô thống trị nước ta, Nghĩa Lộ thuộc địa phận quận Tân Hưng, sang đời nhà Tấn đổi thành quận Tân Xương.

Khi nhà Tùy xâm chiếm nước ta, đời Khai Hoàng, Nghĩa Lộ thuộc huyện An Nhân, quận Giao chỉ.

Thời nhà Lý (1009), Nghĩa Lộ thuộc trại Quy Hóa. Đến thời nhà Trần thuộc châu Quy Hóa, trấn Thiên Hưng. Đầu thế kỷ XIX – thời nhà Nguyễn – Nghĩa Lộ là tên gọi của một sách (sách Nghĩa Lộ) thuộc châu Văn Chấn, phủ Quy Hóa, tỉnh Hưng Hóa.

Thời thuộc Pháp (1886) mảnh đất này thuộc hạt Nghĩa Lộ, trực thuộc Đạo quan binh thứ tư miền thượng du Bắc Kỳ.

Ngày 11 tháng 4 năm 1900, Toàn quyền Đông Dương ra Nghị định thành lập tỉnh Yên Bái. Nghĩa Lộ là một xã thuộc tổng Phù Nham, huyện Văn Chấn. Đến năm 1907, tổng Nghĩa Lộ được lập trên cơ sở xã Nghĩa Lộ và một số xã lân cận thuộc tổng Hạnh Sơn – Phù Nham.

Trước Cách mạng tháng Tám có phố Nghĩa Lộ trong xã Nghĩ Lộ thuộc huyện Văn Chấn. sau năm 1952, phố Nghĩa Lộ đổi tên là thị trấn Nghĩa Lộ trực thuộc châu Văn Chấn.

Ngày 13 tháng 5 năm 1955, Chủ tịch nước Việt Nam dân chủ cộng hòa đã ký Sắc lệnh 231/SL, chuyển các huyện Văn Chấn, Than Uyên, Phong Thổ thuộc khu tự trị Thái-Mèo (tháng 10 – 1962 khu tự trị Thái – Mèo đổi tên thành Khu tự trị Tây Bắc)

Ngày 27/10/1962 tại kỳ hợp thứ 5, Quốc hội khóa II đã ra Nghị Quyết thành lập tỉnh Nghĩa Lộ, lập lại các tỉnh Sơn La, Lai Châu. Thị trấn Nghĩa Lộ lúc đó trực thuộc huyện Văn Chấn tỉnh Nghĩa Lộ. Năm 1963, thị trấn Nghĩa Lộ trực thuộc tỉnh Nghĩa Lộ.

Do nhu cầu phát triển của khu vực cũng như của tỉnh Nghĩa Lộ, ngày 18 tháng 10 năm 1971, Hội đồng Chính phủ ra Nghị định số 190/CP thành lập thị xã Nghĩa Lộ.

Ngày 27 tháng 12 năm 1975, tại kỳ họp thứ 2, Quốc hội khóa V đã ra quyết định hợp nhất ba tỉnh Yên Bái, Nghĩa Lộ, Lào Cai (trừ huyện Bắc Yên và Phù Yên) thành một tỉnh mới lấy tên là tỉnh Hoàng Liên Sơn. Thị xã Nghĩa Lộ lúc này là thị xã trực thuộc tỉnh.

Ngày 4 tháng 3 năm 1978, Hội đồng Chính phủ đã ra Quyết định 56/CP, thị xã Nghĩa Lộ với huyện Văn Chấn thành một đơn vị hành chính lấy tên là huyện Văn Chấn. Thị xã Nghĩa Lộ chuyển xuống thành thị trấn Nghĩa Lộ, thuộc huyện Văn Chấn, tỉnh Hoàng Liên Sơn. Các tiểu khi IV, V, VI sáp nhập vào các xã Nghĩa An, Nghĩa Lợi, Nghĩa Phúc thuộc huyện Văn Chấn.

Ngày 12 tháng 8 năm 1991, tại kỳ họp thứ 9 Quốc hội khóa VII đã quyết định chia tỉnh Hoàng Liên Sơn thành 2 tỉnh là Yên Bái và Lào Cai. Nghĩa Lộ thời kỳ này trực thuộc huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái.

Do nhu cầu phát triển kinh tế- xã hội, ngày 15 tháng 5 năm 1995, Chính phủ đã ra Nghị định 31-NĐ/CP về việc tái lập thị xã Nghĩa Lộ thuộc tỉnh Yên Bái với diện tích tự nhiên là 878,5ha và 15.925 nhân khẩu, bao gồm 4 đơn vị hành chính trực thuộc là các phường: Pú Chạng, Tân An, Trung Tâm và Cầu Thia.