Situé à 25 km à vol d'oiseau au sud-ouest de Pontarlier et à environ 5 km de la frontière franco-suisse, Mouthe est un village de moyenne montagne du massif du Jura faisant partie du Parc naturel régional du Haut-Jura. Il est particulièrement renommé pour détenir le record de la température la plus basse jamais enregistrée en France avec -36,7 °C relevés officiellement en 1967, puis -41 °C en 1985. Cette région particulièrement froide lui a valu le surnom de Petite Sibérie.
Le territoire communal est traversé par plusieurs cours d'eau dont le plus important est la rivière du Doubs, un des plus longs cours d'eau français (453,1 km), qui y prend sa source au pied de la forêt du Noirmont, à 944 mètres d'altitude, à sa source la température de l'eau est voisine de 7° C.