Phường Long Sơn nằm ở phía nam thị xã Thái Hòa, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Nghĩa Mỹ
• Phía tây giáp xã Nghĩa Tiến và xã Tây Hiếu
• Phía nam giáp huyện Nghĩa Đàn
• Phía bắc giáp các phường Hòa Hiếu, Quang Tiến và xã Đông Hiếu.

Phường Long Sơn có diện tích 16,30 km², dân số năm 2018 là 7.200 người, mật độ dân số đạt 442 người/km².[3]

Quốc lộ 48 chạy qua địa bàn phường Long Sơn, sông Hiếu chảy dọc theo chiều dài của phường và có dãy núi đá vôi Diễn Bình.