Xã Sơn Cẩm nằm ở phía bắc thành phố Thái Nguyên, cách trung tâm thành phố 6 km về phía bắc, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp xã Cao Ngạn với ranh giới là sông Cầu
• Phía tây giáp huyện Phú Lương
• Phía nam giáp huyện Đại Từ, các phường Quan Triều, Tân Long và xã Phúc Hà
• Phía bắc giáp huyện Đồng Hỷ và huyện Phú Lương.

Xã Sơn Cẩm có diện tích 16,90 km², dân số năm 2016 là 13.206 người[2], mật độ dân số đạt 781 người/km².

Đất đai trên địa bàn xã gồm có đất phù sa không được bồi, đất phù sa ngòi suối, đất đỏ vàng, đất nâu vàng trên phù sa cổ, đất vàng nhạt trên đá cát. Địa hình nói chung khá bằng phẳng mặc dù cũng có một vài ngọn núi, trong đó lớn nhất là núi Sơn Cẩm nằm ven quốc lộ 3.

Ngoài dòng chính của sông Cầu, một phụ lưu của sông Cầu là sông Đu cũng chảy qua địa bàn xã Sơn Cẩm và chia xã thành hai phần theo chiều đông - tây. Sông Đu hợp lưu với sông Cầu tại địa bàn xã Sơn Cẩm. Bên cạnh đó, suối Phượng Hoàng, một phụ lưu nhỏ của sông Cầu tạo thành ranh giới tự nhiên giữa Sơn Cẩm với xã An Khánh (huyện Đại Từ).[3][4]