Xã Sơn Hải nằm về phía Đông, trải dài theo bãi dọc của huyện Quỳnh Lưu, có chiều dài bờ biển là 5 km, phía bắc giáp xã An Hòa, phía nam giáp xã Quỳnh Thọ, phía đông giáp xã Quỳnh Thuận, phía tây giáp xã Quỳnh Ngọc. Từ trung tâm thị trấn Cầu Giát theo trục đường quốc lộ 48B, ngã tư Cầu Giát rẽ về phía đông khoảng 7 km là đến trung tâm xã.

Xã có diện tích 2,33 km², dân số năm 1999 là 11.075 người,[2] mật độ dân số đạt 4.753 người/km².

Trên địa bàn xã có dòng sông Thai thông ra cửa Lạch Thơi và kênh nhà Lê chảy giữa làng ôm lấy các khu dân cư sinh sống.