Xã Khe Mo nằm ở trung tâm huyện Đồng Hỷ, có tuyến tỉnh lộ 269 chạy qua phần phía tây nam và có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Văn Hán
• Phía tây giáp thị trấn Sông Cầu và các xã Hóa Thượng, Hóa Trung
• Phía nam giáp thành phố Thái Nguyên và xã Nam Hòa
• Phía bắc giáp huyện Võ Nhai và xã Quang Sơn.

Xã Khe Mo có diện tích 30,24 km², dân số năm 2020 là 8.236 người, mật độ dân số đạt 274 người/km².