Huyện có diện tích tự nhiên là 995 km² với dân số: 53.070 người. Phía tây giáp huyện Mường Lát cùng tỉnh và có một đoạn biên giới với Lào khoảng 4,8 km, phía bắc giáp hai huyện Vân Hồ của tỉnh Sơn La và Mai Châu của tỉnh Hòa Bình, phía đông giáp huyện Bá Thước và phía nam giáp huyện Quan Sơn đều cùng tỉnh Thanh Hóa.

Quan Hóa từng là huyện lớn nhất Thanh Hoá về diện tích và từng là một trong những huyện có diện tích lớn nhất ở Việt Nam (năm 1995) với tổng diện tích lên tới 2.741km2, dân số là 127.000 người, sau này Quan Hoá tách ra làm 3 huyện (Quan Hoá, Quan Sơn, Mường Lát) nên có diện tích như hiện tại.

Quốc lộ 15A chạy qua huyện.