Huyện Hướng Hóa phía bắc giáp huyện Lệ Thủy, tỉnh Quảng Bình, phía tây và phía nam giáp tỉnh Savanankhet nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào, phía đông giáp với các huyện Gio Linh, Vĩnh Linh và Đa Krông cùng tỉnh Quảng Trị.

Nơi đây có Thị trấn Cửa khẩu Quốc tế Lao Bảo nằm trên trục đ­ường Quốc lộ 9A thông thương với Lào. Đường Hồ Chí Minh xuyên suốt từ phía bắc đến đông nam của huyện, sang Thừa Thiên Huế. Huyện có đ­ường biên giới dài 156 km thuộc 11 xã tiếp giáp với Lào. Trong đó con sông Sê Pôn là biên giới tự nhiên với gần 100 km giữa huyện và nước Lào tại phía tây nam của huyện.

Diện tích tự nhiên toàn huyện 1151 km², dân số 90.920 ng­ười (2019). Huyện nằm hoàn toàn trên dãy Trường Sơn nên địa hình phần lớn là vùng núi cao ở phía bắc, với đỉnh cao nhất 1617m, vùng núi đông bắc và tây nam thấp hơn; xen kẽ là dải đất thấp theo đường QL9 từ Đa Karông đến biên giới Việt - Lào.

Huyện Hương hóa có hệ thống sông suối đa dạng và rất đặc biệt. Ngoài sông Sê Pôn là biên giới tự nhiên Việt - Lào, Hướng Hóa có hàng trăm con suối, hàng chục con sông nhỏ, đều bắt nguồn tại chính địa bàn huyện mình (hầu như không có sông suối bắt nguồn từ huyện khác chảy vào Hướng Hóa) rồi chảy ngược miền núi Quảng Bình, sang Gio Linh, Cam Lộ, Dak Rông, nhiều nhất các sông nhỏ là chi lưu sông Sê Pôn. Trong đó sông Rào Quán là sông dài và quan trọng nhất, là một trong hai nhánh lớn đầu nguồn, dồi dào nguồn nước của sông Thạch Hãn; với một hồ nước nổi tiếng giữa trung tâm huyện. (Sông Rào Quán hợp lưu với sông Đaka Rông thành đoạn sông Ba Lòng)

Các dân tộc sinh sống ở huyện Hướng Hóa gồm: Kinh, Vân Kiều, Pa Cô (Tà Ôi).