Xã Phú Mậu nằm ở phía bắc thành phố Huế, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Phú Dương và phường Phú Thượng
• Phía tây giáp xã Hương Phong và phường Hương Vinh với ranh giới là sông Hương
• Phía nam giáp phường Phú Hậu với ranh giới là sông Hương
• Phía bắc giáp xã Phú Thanh.

Xã có diện tích 7,17 km², dân số năm 2020 là 10.551 người[2], mật độ dân số đạt 1.472 người/km².