Mường Lay nơi hợp lưu của sông Nậm Na, suối Nậm Lay và sông Đà.Nằm ở phía bắc của tỉnh Điện Biên, cách trung tâm thành phố Điện Biên Phủ 102 km; phía Bắc và Tây Bắc giáp huyện Nậm Nhùn và huyện Sìn Hồ của tỉnh Lai Châu; phía Đông, phía Nam và Tây Nam giáp huyện Mường Chà của tỉnh Điện Biên.
Thời Hùng Vương, vùng đất Mường Lay thuộc bộ Tân Hưng; thời Lý thuộc châu Lâm Tây; thời Trần thuộc lộ Đà Giang; thời Lê Lợi, Mường Lay thuộc Châu Lai của phủ An Tây. Năm 1841, nhà Nguyễn lấy đất các châu Ninh Biên, Tuần Giáo và Châu Lai lập thành phủ Điện Biên. Châu Lai thuộc phủ Điện Biên.
Năm 1858, thực dân Pháp xâm lược nước ta, đến tháng 4 năm 1890 chúng mới chiếm được Lai Châu, trong đó có Châu Lai. Ngày 20-8-1891 toàn quyền Đông Dương ra Nghị định thành lập Đạo quan binh thứ 4, sau đó Đạo quan binh thứ 4 tách thành Tiểu quân khu Vạn Bú và Tiểu quân khu Lai Châu gồm: Châu Lai, châu Luân, châu Quỳnh Nhai, châu Phong Thổ. Ngày 28-6-1909, Toàn quyền Đông Dương ra Nghị định tách các châu: Quỳnh Nhai, Điện Biên, Tuần Giáo, Châu Lai, Luân Châu của tỉnh Sơn La để thành lập tỉnh Lai Châu.
Ngày 27-3-1916 thực dân Pháp thành lập Đạo quan binh thứ 4 Lai Châu gồm: Châu Lai, châu Quỳnh Nhai, Sở Đại lý và châu Điện Biên; các khu biên giới phía Bắc gồm Mường Tè, Mường Nhé, Mường Bum và Mao Xà Phình (Sình Hồ). Châu Lai có 1 tổng (Luân Châu), 35 xã, 134 bản.
Ngày 10-10-1949, Ban cán sự Đảng tỉnh Lai Châu ra đời, từ đây phong trào đấu tranh của Nhân dân các dân tộc trong tỉnh đã có tổ chức Đảng trực tiếp lãnh đạo. Ngày 01-8-1951, liên Ban cán sự Đảng huyện Tuần Giáo - Châu Lai (Tuần - Lai) được thành lập, Châu Lai do liên Ban cán sự Đảng Tuần - Lai trực tiếp lãnh đạo.
Ngày 12-12-1953, thị trấn Mường Lay và huyện Châu Lai được giải phóng, đồng bào các dân tộc của huyện được hưởng tự do, hòa bình. Do địa bàn hoạt động rộng, cán bộ ít nên Ban cán sự Đảng tỉnh Lai Châu quyết định tách Ban cán sự Đảng liên huyện Tuần - Lai thành Ban cán sự Đảng huyện Tuần Giáo và Ban chi uỷ huyện Mường Lay. Ngày 29-4-1955, Khu tự trị Thái - Mèo được thành lập gồm 16 châu, trong đó có châu Mường Lay. Từ ngày 24 đến 27-10-1962, kỳ họp thứ V Quốc hội khóa II nước Việt Nam dân chủ cộng hòa ra Nghị quyết đổi tên Khu tự trị Thái - Mèo thành Khu tự trị Tây Bắc; thành lập lại hai tỉnh Sơn La, Lai Châu và một tỉnh mới Nghĩa Lộ. Tỉnh Lai Châu gồm 7 huyện: Điện Biên, Tuần Giáo, Tủa Chùa, Mường Tè, Mường Lay, Phong Thổ, Sìn Hồ. Tỉnh Lai Châu được tái lập, thị trấn Mường Lay trở thành trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa của tỉnh. Ngày 24-12-1963, tại kỳ họp thứ hai Hội đồng nhân dân tỉnh Lai Châu khóa II đã nhất trí chuyển thị trấn Mường Lay của huyện Mường Lay trực thuộc tỉnh và đặt tên là thị trấn Lai Châu.
Ngày 08-10-1971, Hội đồng Chính phủ ra Quyết định số 189-CP về thành lập Thị xã Lai Châu thuộc tỉnh Lai Châu. Thị xã Lai Châu gồm: Thị trấn Lai Châu, xã Lay Cang (trừ bản Pháy Mảy sẽ sáp nhập vào xã Sá Tổng, huyện Mường Lay), xã Lay Tở (trừ bản Nậm Ty sẽ sáp nhập vào xã Nậm Hàng, huyện Mường Lay) và bản Nậm Cản (xã Lay Nưa) thuộc huyện Mường Lay. Diện tích tự nhiên 84,36 km2.
Từ ngày 21 đến 26-10-2003, kỳ họp thứ 11 Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam ra Nghị quyết số 22 về việc chia và điều chỉnh địa giới hành chính một số tỉnh, trong đó có Lai Châu. Tỉnh Lai Châu được chia thành tỉnh Lai Châu (mới) và tỉnh Điện Biên. Thị xã Lai Châu thuộc tỉnh Điện Biên với diện tích tự nhiên là 8.436 ha, 10.755 nhân khẩu. Có 3 đơn vị hành chính: Phường Na Lay, phường Lê Lợi và phường Sông Đà. Ngày 02-01-2004, Chính phủ ra Nghị định số 01/2004/NĐ-CP giải thể phường Lê Lợi của Thị xã Lai Châu để thành lập xã Lê Lợi, sáp nhập xã Lê Lợi vào huyện Sìn Hồ, tỉnh Lai Châu. Thị xã Lai Châu còn lại 5.236 ha diện tích tự nhiên và 9.279 nhân khẩu, có 2 đơn vị hành chính trực thuộc là phường Na Lay và phường Sông Đà.
Ngày 02-3-2005, Chính phủ nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam ra Nghị định số 25/2005/NĐ-CP về việc điều chỉnh địa giới hành chính và đổi tên Thị xã Lai Châu thành thị xã Mường Lay. Sau khi điều chỉnh, thị xã Mường Lay có 3 đơn vị hành chính: 02 phường (Na Lay, Sông Đà), 01 xã (Lay Nưa), với diện tích tự nhiên 11.403,50 ha và 14.379 nhân khẩu.
Giai đoạn 2005-2010, thị xã Mường Lay thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ quan trọng: “Vừa phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo quốc phòng - an ninh; vừa thực hiện dự án di dân tái định cư thủy điện Sơn La và tái thiết đô thị”. Từ năm 2010 đến năm 2015, giai đoạn tái thiết đô thị cho cả một thị xã. Thị xã Mường Lay trở thành đô thị trên bến dưới thuyền nằm soi bóng bên hai bờ hồ Nậm Lay thơ mộng. Từ năm 2015 đến năm 2020, thị xã bước sang giai đoạn phát triển mới, với cơ cấu kinh tế “Thương mại, du lịch, dịch vụ và phát triển nông, lâm, thủy sản”. Hiện tại, thị xã có diện tích tự nhiên 11.266,56 ha, dân số 11.488 người, mật độ dân số khoảng 102 người/km2, gồm 09 dân tộc, trong đó: Dân tộc Thái Trắng chiếm 66,81%, dân tộc Kinh chiếm 23,13%, dân tộc Mông chiếm 9,1%, còn lại là các dân tộc Hoa, Mường, Sila, Tày, Dao, Nùng. Thị xã có 03 đơn vị hành chính, gồm phường Na Lay, phường Sông Đà, xã Lay Nưa với 12 tổ dân phố và 26 bản.
Hiện nay, đến với thị xã Mường Lay là đến với thị xã “nhà sàn” trên bến dưới thuyền, nằm soi bóng hai bên bờ hồ thơ mộng, với đặc trưng riêng của thị xã vùng cao mà không nơi nào có được: “Nhà trong phố, phố trong bản” là điểm đến ưa thích của du khách trong và ngoài nước trong chuỗi du lịch Hà Nội- Sa Pa - Điện Biên Phủ.
Trải qua bao thăng trầm với nhiều biến cố lịch sử, nhiều lần thay đổi về địa giới hành chính cũng như tên gọi nhưng địa danh Châu Lai - thị trấn Mường Lay - thị trấn Lai Châu - thị xã Lai Châu - thị xã Mường Lay vẫn trường tồn với thời gian và lịch sử.