Xã Lê Lai nằm ở phía đông huyện Thạch An, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Lê Lợi và xã Thụy Hùng
• Phía tây giáp xã Thái Cường và xã Trọng Con
• Phía nam giáp thị trấn Đông Khê và xã Đức Xuân
• Phía bắc giáp xã Vân Trình.

Xã Lê Lai có diện tích 33,02 km², dân số năm 2019 là 2.639 người[1], mật độ dân số đạt 80 người/km².

Trên địa bàn xã có đồi Cáng Lò, núi Lũng Vòm và khau Khuổi Vàng. Quốc lộ 4A chạy qua xã, trên tuyến đường có cầu Nà Vàng. Xã Lê Lai có suối Pò Bửu chảy trên địa bàn.