Xã Thiệu Thịnh nằm ở phía đông bắc của huyện Thiệu Hóa, thuộc tả ngạn sông Chu và hữu ngạn sông Mã.

• Phía đông giáp các xã Hoằng Phượng và Hoằng Giang, huyện Hoằng Hóa (ranh giới tự nhiên là sông Mã).
• Phía nam giáp phường Thiệu Khánh, thành phố Thanh Hóa (ranh giới tự nhiên là sông Chu).
• Phía tây giáp xã Thiệu Hợp, huyện Thiệu Hóa.
• Phía bắc giáp xã Thiệu Quang, huyện Thiệu Hóa và xã Hoằng Xuân, huyện Hoằng Hóa (ranh giới tự nhiên là sông Mã).

Đây là địa phương có tuyến Đường cao tốc Ninh Bình – Thanh Hóa đi qua đang được xây dựng.