Xã Hóa Thượng nằm ở phía tây huyện Đồng Hỷ, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Hóa Trung và xã Khe Mo
• Phía tây và phía nam giáp thành phố Thái Nguyên
• Phía bắc giáp xã Minh Lập.

Xã Hóa Thượng có diện tích 13,66 km², dân số tính đến ngày 1 tháng 4 năm 2020 là 14.000 người, mật độ dân số đạt 1.024 người/km².[1]

Xã có tuyến quốc lộ 1B cũ và mới cùng tuyến tỉnh lộ 259 chạy trên địa bàn. Hóa Thượng cũng giáp với sông Cầu ở phần ranh giới tây bắc.

Đất đai trên địa bàn xã gồm có đất phù sa không được bồi, đất phù sa ngòi suối, đất đỏ vàng, đất nâu vàng trên phù sa cổ, đất vàng nhạt trên đá cát. Địa hình nói chung khá bằng phẳng mặc dù cũng có một vài ngọn núi, trong đó lớn nhất là núi nằm ven quốc lộ 1B mới.

Ngoài dòng chính của sông Cầu, một phụ lưu của sông Cầu là sông Linh Nham cũng chảy qua địa bàn xã Hóa Thượng.