Thị xã Nghi Sơn nằm ở cực nam của tỉnh Thanh Hóa, cách thành phố Thanh Hóa 46 km, cách Hà Nội 196 km, có vị trí địa lý:

• Phía nam giáp thị xã Hoàng Mai và huyện Quỳnh Lưu, tỉnh Nghệ An
• Phía đông giáp Biển Đông
• Phía bắc giáp huyện Quảng Xương
• Phía tây giáp huyện Nông Cống và huyện Như Thanh.

Thị xã Nghi Sơn có diện tích 455,61 km², dân số năm 2019 là 307.304 người, mật độ dân số đạt 674 người/km2. Ðịa hình của thị xã thuộc loại bán sơn địa, bao gồm những hang động, đồng bằng và đường bờ biển dài. Thị xã cũng có một số hòn đảo nhỏ, 3 cửa lạch, 2 cảng biển lớn. 12% dân số là Kitô hữu.

Đây là địa phương có tuyến đường cao tốc Ninh Bình – Thanh Hóa và tuyến đường cao tốc Thanh Hóa – Hà Tĩnh đi qua đang được xây dựng.