OBJETIVO: Estimar a prevalência da desnutrição infantil para os municípios brasileiros. MÉTODOS: Utilizou-se modelo de regressão logística multinível para estimar a probabilidade individual de desnutrição em 5.507 municípios brasileiros em 2006, em função de fatores preditivos agrupados segundo níveis hierárquicos. A variável resposta foi a desnutrição infantil (crianças de seis a 59 meses com estatura para idade e sexo inferior a -2 escores Z, segundo o padrão da Organização Mundial da Saúde). As variáveis preditivas foram determinantes da desnutrição aferidos de forma semelhante pela Pesquisa Nacional sobre Demografia e Saúde-2006 e pela Amostra do Censo de 2000. No nível 1 (individual): sexo e idade; no nível 2 (domiciliar): variáveis socioeconômicas, água com canalização interna, área urbana ou rural; e no nível 3 (municipal): localização do município e cobertura da Estratégia Saúde da Família em 2006. RESULTADOS: Detectou-se elevação estatisticamente significativa da chance de desnutrição nas crianças do sexo masculino, que moravam em domicílios com duas ou mais pessoas por cômodo, pertencentes aos quintos inferiores do escore socioeconômico, com três ou mais crianças < 5 anos, que não dispunham de água encanada ou localizados na Região Norte. Verificou-se associação dose-resposta negativa entre a cobertura da Estratégia Saúde da Família e a chance de desnutrição (p = 0,007). Cobertura municipal da Estratégia Saúde da Família > 70% mostrou redução de 45% na chance de desnutrição infantil. Estimativas da prevalência de desnutrição infantil mostraram que a maioria dos municípios estudados apresentou risco de desnutrição sob controle, muito baixo ou baixo. Riscos de maior magnitude foram encontrados em 158 dos municípios, na Região Norte. CONCLUSÕES: A desnutrição infantil como problema de saúde pública concentra-se nos municípios da Região Norte do País, onde a cobertura da Estratégia Saúde da Família é mais baixa. Detectou-se efeito de proteção da Estratégia Saúde da Família em relação à desnutrição infantil no País como um todo, independentemente de outros determinantes do problema.