Мологский уезд находился в северо-западной части Ярославской губернии. С северо-восточной стороны он граничил с Пошехонским уездом. Восточную границу составлял Рыбинский уезд, а южную — Мышкинский, с западной и северо-западной стороны Мологский уезд соприкасался с Тверской и Новгородской губерниями. Площадь Мологского уезда по отношению к общей площади Ярославской губернии составляла немногим более одной седьмой части (14,2 %) и занимала в губернии второе место, после Пошехонского уезда.
В уезде насчитывалось 70 озёр, занимавших 0,2 % его площади.