Xã Phú Xuyên nằm ở phía tây huyện Đại Từ, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Bản Ngoại và xã Phú Thịnh
• Phía tây giáp tỉnh Tuyên Quang
• Phía nam giáp xã La Bằng
• Phía bắc giáp xã Na Mao và xã Yên Lãng.

Xã Phú Xuyên có diện tích 24,15 km², dân số năm 1999 là 6.383 người, gồm các dân tộc Kinh, Tày, Nùng, Dao, Sán Chỉ, Thái, Hoa..., mật độ dân số đạt 266 người/km².[1]

Quốc lộ 37 cùng đường sắt Quan Triều - Núi Hồng chạy qua địa bàn xã.