Der Landkreis Unterallgäu liegt zentral im Regierungsbezirk Schwaben. Der oberschwäbische Landkreis gehört zur Planungsregion Donau-Iller. Sitz der Kreisverwaltung ist die Kreisstadt Mindelheim.
Die Nachbarlandkreise sind im Nordwesten der Landkreis Neu-Ulm; im Norden der Landkreis Günzburg; im Nordosten der Landkreis Augsburg; im Osten und Südosten der Landkreis Ostallgäu; im Süden der Landkreis Oberallgäu; im Westen die baden-württembergischen Landkreise Ravensburg sowie Biberach. Die Exklave Buxheim im Westen wird durch die kreisfreie Stadt Memmingen vom übrigen Kreisgebiet getrennt.
Das südliche Kreisgebiet gehört dem Grünlandgebiet des voralpinen Hügellandes an; der nördliche Teil gehört zur Iller-Lech-Platte des schwäbisch-bayerischen Hügellandes. Der Landkreis hat mit der Iller im Westen und der Wertach im Osten zwei natürliche Grenzen, die (als Grenzflüsse) ungefähr die Gebietsränder anzeigen. Zwei Gemeinden des Unterallgäus (Amberg und Wiedergeltingen) liegen östlich der Wertach.
Die Fläche des Landkreises umfasst 1.230,24 km². Damit steht er unter den 71 bayerischen Landkreisen an 19. Stelle, im Regierungsbezirk Schwaben nimmt er den vierten Platz unter den zehn Landkreisen ein. Insgesamt besteht er aus 52 Städten, Märkten und Gemeinden. Die größte Nord-Süd-Ausdehnung beträgt in dem mittelgroßen Landkreis 54 km (Haselbach – Legau), die größte Ost-West-Ausdehnung 44 km (Heimertingen – Amberg). Das einzige noch gemeindefreie Gebiet ist der Ungerhauser Wald mit einer Fläche von 3,26 km². Die nördlichste Ortschaft des Unterallgäus ist Kettershausen, die südlichste ist Legau. Die westlichste Ortschaft ist Lautrach, die östlichste ist Amberg im Unterallgäu.