Der Kreis Ostallgäu liegt im Südosten des bayerischen Regierungsbezirks Schwaben. Nachbarkreise sind im Norden der Landkreis Unterallgäu und der Landkreis Augsburg, im Osten die Landkreise Landsberg am Lech, Weilheim-Schongau und Garmisch-Partenkirchen, im Süden das österreichische Bundesland Tirol und im Westen der Landkreis Oberallgäu. Die kreisfreie Stadt Kaufbeuren ist ganz vom Landkreis Ostallgäu umgeben. Das Gebiet des Landkreises Ostallgäu umfasst im Süden die Alpen sowie dessen Vorland. Im Norden schließt sich die schwäbisch-bayerische Hochebene an. Das alpine Gebiet zieht sich hinauf zur Ammergauer Hochplatte in den Ammergauer Alpen. Das Voralpengebiet besitzt mehrere Seen, wovon der Forggensee, ein vom Lech durchflossener Stausee, der größte ist. Der Lech durchfließt das südöstliche Kreisgebiet. Im Westen durchzieht die Wertach, ein linker Nebenfluss des Lechs, die bei Augsburg mündet, den Landkreis Ostallgäu von Süden nach Norden.