Thị xã Phổ Yên nằm ở phía nam tỉnh Thái Nguyên, cách thành phố Thái Nguyên 26 km về phía Nam và cách thủ đô Hà Nội 56 km về phía Bắc, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Phú Bình
• Phía đông nam giáp huyện Hiệp Hòa, tỉnh Bắc Giang
• Phía tây giáp huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc và huyện Đại Từ
• Phía nam giáp thành phố Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc và huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội
• Phía bắc giáp thành phố Sông Công
• Phía tây bắc giáp thành phố Thái Nguyên.

Do có vị trí thuận lợi nên thị xã Phổ Yên là địa phương rất có tiềm năng và là nơi được nhiều nhà đầu tư lựa chọn khi bắt đầu khởi công xây dựng nhà máy Samsung tại khu công nghiệp Yên Bình, Phổ Yên.

Dân cư

Trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp dân số Phổ Yên là 28.400 người. Sau hòa bình lập lại (tháng 7/1954), toàn thị xã có 7.525 hộ, với 34.234 người. Theo tổng điều tra dân số ngày 01/4/1989 dân số Phổ Yên là 118.596 người. Năm 2006 dân số toàn thị xã là 139.961 người (có 70.000 nam và 69.961 nữ; 126.456 người sống ở nông thôn, 13.505 người sống ở đô thị); Người kinh 92,42%, người Sán Dìu 6,25%, người Tày 0,59%, Người Dao và người Nùng đều 0,29%, người Mường 0,06%, còn lại 0,1% là người các dân tộc khác... Trừ người Dao sống chủ yếu ở các xã chân dãy núi Tam Đảo, còn người các dân tộc khác sống xen kẽ với nhau.

Mật độ dân số trung bình toàn thị xã tăng từ 514 người/km² (năm 2002) lên 545,27 người/km² (năm 2006); phường Ba Hàng có mật độ dân số cao nhất 3.382 người/km², xã Phúc Tân có mật độ dân số thấp nhất (89 người/km²). Cư dân ở Phổ Yên gồm nhiều dân tộc khác nhau, có bộ phận đã định cư từ lâu đời, có bộ phận là dân được bọn địa chủ các đồn điền người Pháp và người Việt tuyển mộ vào làm thuê cho chúng; có bộ phận là đồng bào các tỉnh Hà Nam, Thái Bình, Hà Đông (nay thuộc Hà Nội)... di cư, phiêu bạt lên, sinh cơ, lập nghiệp. Nhân dân các dân tộc Phổ Yên đã sống xen kẽ với nhau từ lâu đời và có truyền thống đoàn kết, yêu thương, đùm bọc lẫn nhau.

Hiện nay dân cư đô thị của thị xã vào khoảng gần 60.000 người.