Huyện nằm ở phía Nam tỉnh Gia Lai, toàn bộ diện tích của huyện nằm gọn trong lòng chảo nơi có con sông Ayun bắt nguồn từ cao nguyên Kon Tum chảy qua, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Ia Pa
• Phía tây giáp huyện Chư Pưh
• Phía nam giáp huyện Ea H'leo, tỉnh Đăk Lăk và thị xã Ayun Pa
• Phía bắc và tây bắc giáp huyện Chư Sê.

Huyện Phú Thiện có diện tích 505,8 km² và dân số năm 2019 là 90.870 người.