นครรัฐเชียงแสนมีพื้นที่ปกครองครอบคลุมเมืองต่างๆในดินแดนล้านนาตอนบน เช่น เมืองเชียงแสน เชียงราย พะเยา ฝาง เชียงของ และเทิง นอกจากนี้ ยังมีการจดบันทึกถึงการเปลี่ยนแปลงอาณาเขตจากหลักฐานต่างๆ ดังนี้

ในรัชสมัยของเจ้าฟ้ากาเผือก พระเจ้าอะเนาะเพะลูนได้พระราชทานเมืองละคร (ลำปาง) ให้เป็นเมืองขึ้นของเชียงแสน[3][4]

หลังจากพระเจ้าตาลูนตีเมืองเชียงใหม่แตกในปี พ.ศ. 2175 ทรงตั้งให้เจ้าฟ้าหลวงทิพเนตร "เป็นใหญ่แก่ลานนาทั้งมวลคือว่า เชียงราย พะเยา เมืองฝาง หาง สาด ชะวาด น้อย ยาง มัน เมืองตวน ปุ เรง เมืองกก พู เพียง เชียงตุบ เมืองกาย สามท้าว เมืองม้า ท่าล่อ เมืองวะ เชียงขาน บ้านยู้ เมืองหลวย เมืองยอง เมืองสิง นอ เมืองหลวง ภูคา ภูคะทาง และเชียงชี เชียงของ เทิง เมืองล่อ น่าน แพร่ ละคร ทั้งมวล" [3][4] ต่อมาดินแดนล้านนาตอนล่างถูกยึดครองโดยอาณาจักรอยุธยาในสงครามตองอู–อยุธยา (ค.ศ. 1662–1664)

ในปี พ.ศ. 2258/2259 (จ.ศ. 1077) พระเจ้าตะนินกันเหว่มีพระราชโองการให้หัวเมืองไทใหญ่บางส่วนเข้ามาอยู่ใต้การปกครองของเชียงแสน ได้แก่ เมืองกาย เมืองไร เมืองเลน ภะยาก กะแลง เชียงลาบ เมืองหลวงปูคา[5][3]

ในปี พ.ศ. 2270/2271 (จ.ศ. 1089) จากการแยกตัวเป็นอิสระของเมืองเชียงใหม่ ราชสำนักพม่าจึงได้โอนเมืองแพร่ น่าน ละคร พะเยา เมืองฝาง เมืองสาด เชียงของ เมืองเทิง เข้ามาอยู่ภายใต้การปกครองของเชียงแสน[3] อย่างไรก็ตาม เชียงแสนไม่สามารถควบคุมเมืองในดินแดนล้านนาตอนล่างได้อย่างเบ็ดเสร็จ ทำให้นำไปสู่การก่อตั้งนครลำปางในปี พ.ศ. 2275/2276 (จ.ศ. 1094)[9]