Es un área natural protegida del norte de Chile situada en el extremo suroriental de la región de Antofagasta (Región II) correspondiente a la provincia de igual nombre, dentro de la comuna homónima. Tiene una superficie total de 268.671 ha, que se extienden en pleno corazón de la puna de Atacama. El parque es administrado, al igual que el resto de espacios protegidos, por la Corporación Nacional Forestal (CONAF), organismo dependiente del Ministerio de Agricultura chileno.
Hacia el oeste limita con la cordillera Domeyko, que lo separa del desierto de Atacama, y hacia el este lo hace con territorio de la República Argentina, en concreto con el extremo occidental de la provincia de Salta, encuadrada en la subregión de la Puna argentina, la más a poniente de las tres que integran la región del Noroeste. El parque toma su nombre del volcán Llullaillaco (también denominado Llullaillabur), cumbre montañosa andina de origen volcánico que, con sus 6.723 m de altitud, forma parte de la línea de cumbres que sirve de límite entre Argentina y Chile; constituye, además, la máxima elevación del Noroeste argentino, la sexta montaña de América en cuanto a altitud y el segundo volcán más alto del mundo. Su estado actual es durmiente, pues la última erupción tuvo lugar en 1877.
Ubicada en el área más desolada y apartada de la región de Atacama, la comarca en la que se asienta el parque era, en época precolombina, lugar de peregrinaje de los pueblos indígenas, que rendían culto a las montañas, a las que consideraban divinidades. El interés particular de esta montaña reside en que posee los restos arqueológicos situados a mayor altitud del mundo, casi en la misma cumbre.
