Huyện Cẩm Xuyên phía nam giáp huyện Kỳ Anh, phía bắc giáp thành phố Hà Tĩnh và huyện Thạch Hà, phía tây giáp huyện Hương Khê và một phần tỉnh Quảng Bình, phía đông giáp biển Đông.

Trên bản đồ tỉnh Hà Tĩnh, Cẩm Xuyên nằm về phía Đông Nam của tỉnh, phía Bắc giáp biển Đông, thành phố Hà Tĩnh và huyện Thạch Hà; phía Đông và Đông Nam giáp huyện Kỳ Anh; phía Tây và Tây Nam giáp hai huyện Thạch Hà và Hương Khê; phía Nam giáp huyện Tuyên Hoá, tỉnh Quảng Bình.

- Điểm cực Nam là 18002'18'' vĩ Bắc, mốc là núi Cù Han, đỉnh cao 400m, thuộc xã Cẩm Thịnh, giáp giới với xã Kỳ Thượng (huyện Kỳ Anh) và 2 xã Hương Hoá, Kim Hoá (huyện Tuyên Hoá, tỉnh Quảng Bình).

- Điểm cực Bắc là 18020'51'' vĩ Bắc, mốc giới là điểm tiếp giáp giữa xóm Bắc Hoà (xã Cẩm Hoà) với biển Đông và xóm Đông Bàn (xã Thạch Văn, Thạch Hà).

- Điểm cực Tây là 105051'17'' kinh Đông, mốc giới là núi My Ôn, đỉnh cao 238m thuộc xã Cẩm Mỹ, giáp với 2 xã Hương Trạch và Lộc Yên (huyện Hương Khê).

- Điểm cực Đông trên đất liền là 106009'13'' kinh Đông, mốc giới là núi Ba Cội, đỉnh cao 400m, thuộc thôn Bắc Lĩnh (xã Cẩm Lĩnh), giáp với biển Đông và thôn Trung Kiên (xã Kỳ Xuân, huyện Kỳ Anh).

Tổng diện tích tự nhiên Cẩm Xuyên là 639,28km2, là huyện có diện tích rộng thứ ba trong số 13 đơn vị hành chính trực thuộc tỉnh Hà Tĩnh, xếp sau các huyện Hương Khê (1241km2) và Hương Sơn (950km2).

Dân số toàn huyện tính đến ngày 01/4/2019 là 149.313 người (74.982 nam; 74.331 nữ với 14.087 dân cư thành thị và 135.226 dân cư nông thôn, 9,1% dân số theo đạo Thiên Chúa.

Đây cũng là địa phương có dự án Đường cao tốc Hà Tĩnh – Quảng Bình đi qua đang được xây dựng.