Chiang Mai er med 20 107 km² Thailands nest største provins, og ligger i sin helhet i nedbørfeltet til elven Mae Nam Ping, som lengre nede renner ut i Siambukten ved Bangkok. Provinsen omfatter elvedalen og to fjellrekker på hver side av dalen – fjellkjeden Tanen Taunggyi i vest er den lengste og når opp i 1500-1800 meter, fjellkjeden øst for dalen er kortere men når opp i 2000 meter.