Xã Thanh Mai có hình tam giác, có vị trí địa lý:

• Phía bắc giáp huyện Bạch Thông
• Phía đông giáp xã Thanh Vận và xã Cao Kỳ
• Phía nam giáp xã Nông Hạ và tỉnh Thái Nguyên
• Phía Tây giáp xã Mai Lạp.

Xã Thanh Mai có diện tích 40,86 km², dân số năm 2019 là 2.568 người,[2] mật độ dân số đạt 63 người/km².

Thanh Mai có một vài tuyến đường liên xã đi qua, trong đó có đường nối đến quốc lộ 3 tại xã Nông Thịnh. Một số phụ lưu hữu ngạn của sông Cầu cũng chảy trên địa bàn Thanh Mai như: Khuổi Kéo, Khuổi Tang, Khuổi Tôm, Khuổi Pèn, Khuổi Lạc và hợp lưu thành suối Quân.