Thuận Thành nằm cách trung tâm thủ đô Hà Nội 25 km về phía đông nam, cách trung tâm thành phố Bắc Ninh khoảng hơn 10 km, phía bắc giáp với huyện Tiên Du và huyện Quế Võ được ngăn cách bởi sông Đuống, phía đông giáp huyện Gia Bình và huyện Lương Tài, phía nam giáp huyện Cẩm Giàng tỉnh Hải Dương và huyện Văn Lâm tỉnh Hưng Yên, phía Tây giáp huyện Gia Lâm của Hà Nội

Diện tích tự nhiên là 117,3 km², dân số khoảng 181.047 người (năm 2019). Thuận Thành là đơn vị hành chính cấp huyện rộng thứ 2 sau huyện Quế Võ.