Diện tích tự nhiên của huyện là 497,2 km². Tổng dân số là 136.210 người (2018), bình quân 274 người/km², gồm các dân tộc: Mường, Dao, Thái, Kinh.

Địa hình phức tạp, đồi núi ở phía tây (chiếm 40,1% diện tích), đỉnh Lam Sơn (472 m), đồng bằng phía đông xen nhiều đồi gò. Sông Cầu Chày, Sông Âm, Sông Hép chảy qua.

Đường Hồ Chí Minh chạy suốt chiều dài của huyện, Quốc lộ 15A (Từ đường Phố Cống, thị trấn Ngọc Lặc đến giáp huyện Lang Chánh, đoạn từ Ngã ba Thọ Phú đến Lam Kinh), tỉnh lộ 519 (Chỉ còn đoạn gần 2 km qua Phố 1), tỉnh lộ 516B (Từ Thống Nhất qua Lam Sơn sang Phố Châu) chạy qua.