Thị trấn Hùng Sơn nằm ở trung tâm của huyện Đại Từ, thuộc lưu vực sông Công, cách thành phố Thái Nguyên khoảng 25 km và cách khu du lịch hồ Núi Cốc khoảng 10 km, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp các xã Tân Thái, Hà Thượng
• Phía tây giáp xã Tiên Hội
• Phía nam giáp các xã Bình Thuận, Khôi Kỳ
• Phía bắc giáp xã Tân Linh.

Thị trấn Hùng Sơn có diện tích 14,63 km², dân số năm 2018 là 25.051 người, mật độ dân số đạt 998 người/km².

Thị trấn Hùng Sơn nằm ven tuyến quốc lộ 37 đi Tuyên Quang. Ngoài ra còn có tỉnh lộ 260 nối với thành phố Thái Nguyên và khu du lịch hồ Núi Cốc; tỉnh lộ 261 nối với các xã phía nam và thị xã Phổ Yên và tuyến đường sắt Quan Triều - Núi Hồng cũng đi qua phần phía bắc thị trấn.

Thị trấn có hai tuyến xe buýt nối với thành phố Thái Nguyên và một số xã khác trong huyện.