Thanh Liêm là huyện đồng bằng thấp trong lưu vực sông Đáy, thuộc đồng bằng Bắc Bộ. Con sông Đáy, thuộc hệ thống sông Hồng, chảy cắt ngang qua địa bàn huyện, gần như theo hướng Bắc Nam, từ thành phố Phủ Lý đến ngã ba ranh giới của huyện (đồng thời là của tỉnh Hà Nam) với hai tỉnh Ninh Bình, Nam Định. Huyện Thanh Liêm cách thành phố Phủ Lý 12 km, cách Hà Nội 72 km.

Huyện Thanh Liêm có ranh giới phía Đông giáp huyện Bình Lục, phía Bắc giáp thành phố Phủ Lý, phía Tây Bắc giáp huyện Kim Bảng. Phía Tây giáp huyện Lạc Thủy của tỉnh Hòa Bình. Trên ranh giới phía tây của huyện có điểm ngã ba ranh giới của tỉnh Hà Nam với hai tỉnh Hòa Bình, Ninh Bình. Phía Tây Nam giáp huyện Gia Viễn của tỉnh Ninh Bình. Phía Đông Nam giáp huyện Ý Yên của tỉnh Nam Định. Tổng diện tích đất tự nhiên toàn huyện là 17.501,94 ha, trong đó đất nông nghiệp 9.200,95 ha chiếm 53%, đất lâm nghiệp chiếm 26%, đất chuyên dùng chiếm 12,2%, đất khu dân cư chiếm 4,2%, còn lại là đất chưa sử dụng. Đất vùng đồng bằng được hình thành từ phù sa sông Hồng và sông Đáy, thích hợp với việc trồng lúa và hoa màu. Vùng đồi núi chủ yếu là đất nâu vàng và đất màu, thích hợp cho phát triển cây lấy gỗ, cây ăn quả và cây công nghiệp.

Huyện có nguồn đá vôi với trữ lượng hàng tỷ m³, tập trung chủ yếu ở 5 xã tây Đáy, trong đó có Thanh Nghị và thị trấn Kiện Khê. Ngoài ra còn có mỏ sét ở xã Liêm Sơn, Thanh Tâm và thị trấn Tân Thanh trữ lượng hàng triệu m3 dùng làm chất liệu phụ gia cho sản xuất xi măng trên địa bàn tỉnh và khu vực lân cận cùng với mỏ đá trắng cung cấp cho ngành công nghiệp hóa chất.

Trên địa bàn huyện có hai tôn giáo chính: Phật giáo và Thiên Chúa giáo. 10% dân số theo đạo Thiên Chúa.