Huyện Kim Bôi nằm ở phía đông tỉnh Hòa Bình, có vị trí địa lý:

• Phía đông và phía bắc giáp huyện Lương Sơn
• Phía tây giáp huyện Cao Phong
• Phía tây bắc giáp thành phố Hòa Bình
• Phía nam giáp các huyện Lạc Sơn và Yên Thủy
• Phía đông nam giáp huyện Lạc Thủy.

Huyện có diện tích 551,03 km², dân số năm 2019 là 120.140 người, mật độ dân số đạt 218 người/km².

Trên địa bàn huyện có các núi Đồi Thơi cao 1.198m, Đồi Bù cao 833m. Sông Bôi chảy dọc theo địa bàn huyện theo hướng tây bắc - đông nam. Ngoài ra, huyện còn có nguồn suối nước khoáng nóng ở phía tây bắc thị trấn Bo.