Xã Cao Sơn có vị trí địa lý:

• Phía bắc giáp các xã Sỹ Bình, Vũ Muộn và huyện Na Rì
• Phía đông giáp xã huyện Na Rì
• Phía nam giáp xã Mỹ Thanh và huyện Na Rì
• Phía tây giáp xã Mỹ Thanh và xã Nguyên Phúc.

Xã Cao Sơn có diện tích 63,52 km², dân số chỉ khoảng 834 người,[2] mật độ dân số đạt 13 người/km².

Trên địa bàn xã có suối Nà Cái.