Huyện nằm ở phía Đông Bắc tỉnh Quảng Ninh; phía bắc giáp với huyện Ninh Minh, thành phố Sùng Tả và khu Phòng Thành, thành phố Phòng Thành Cảng (Quảng Tây - Trung Quốc); phía Tây giáp với huyện Đình Lập (tỉnh Lạng Sơn); phía Đông giáp huyện Hải Hà, phía Nam giáp huyện Tiên Yên và huyện Đầm Hà (tỉnh Quảng Ninh).

Bình Liêu là huyện miền núi ở cực bắc của tỉnh, (có toạ độ từ 21°27’ đến 21°39’ vĩ độ Bắc và từ 107°17’ đến 107°36’ kinh độ Đông), cách thành phố Hạ Long 108 km, cách thị trấn Tiên Yên 28 km; phía Bắc có 43,168 km đường biên giới với Trung Quốc, có Cửa khẩu Hoành Mô, xã Hoành Mô thông thương với Trung Quốc.