Der Kreis Unterallgäu liegt zentral im Regierungsbezirk Schwaben. Er gehört zur Region 15 Donau-Iller (Bayern). 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 wird im Westen durch die kreisfreie Stadt Memmingen vom übrigen Kreisgebiet getrennt.
Das südliche Kreisgebiet gehört dem ausgesprochenen Grünlandgebiet des voralpinen Hügellandes an, der nördliche Teil 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 ungefähr die Gebietsränder anzeigen. Zwei Gemeinden des Unterallgäus (Amberg und Wiedergeltingen) liegen allerdings komplett östlich der Wertach.
Die Fläche des Landkreises umfasst 1.230,33 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. 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. Das nördlichste Dorf des Unterallgäus ist Pleß.