Thị xã Hoàng Mai nằm ở phía đông bắc tỉnh Nghệ An, cách thành phố Vinh 75km về phía bắc, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp biển Đông
• Phía tây và phía nam giáp huyện Quỳnh Lưu
• Phía bắc giáp thị xã Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa.

Thị xã Hoàng Mai có diện tích 169,75 km², dân số năm 2013 là 105.105 người.

Theo thống kê năm 2019, thị xã Hoàng Mai có diện tích 169,75 km², dân số là 113.360 người, mật độ dân số đạt 668 người/km².[1]