Huyện Nga Sơn nằm ở phía đông bắc tỉnh Thanh Hóa, cách thành phố Thanh Hóa khoảng 40 km về phía đông Bắc, cách quốc lộ 1A khoảng 14 km về phía đông và cách Hà Nội khoảng 120 km về phía nam, có vị trí địa lý:

• Phía bắc và đông giáp tỉnh Ninh Bình
• Phía tây giáp các huyện Hà Trung, Hậu Lộc và thị xã Bỉm Sơn
• Phía nam giáp Vịnh Bắc Bộ.

Hơn 80% diện tích của huyện là đồng bằng, địa hình thoải từ tây sang đông. Phía bắc của huyện có dãy núi Tam Điệp, phía nam có con sông Lèn chảy qua.

Huyện có bờ biển dài 20 km và hàng năm Nga Sơn lấn ra biển từ 80 đến 100 m do phù sa bồi đắp của sông Hồng và sông Đáy.

Huyện Nga Sơn có diện tích tự nhiên 144,95 km². Dân số năm 2010 là 153.433 người. 17% dân số theo đạo Thiên Chúa.