Huyện Thạch Hà nằm ở trung tâm phần phía đông tỉnh Hà Tĩnh, ở tọa độ 18,10 - 18,29 độ vĩ Bắc và 105,38 - 106,2 độ kinh đông.

Huyện có địa giới hành chính:

• Phía đông giáp biển Đông.
• Phía tây giáp huyện Hương Khê
• Phía nam giáp huyện Cẩm Xuyên
• Phía bắc giáp huyện Lộc Hà, tây bắc giáp huyện Can Lộc

Thành phố Hà Tĩnh nằm xen giữa huyện Thạch Hà, chia huyện thành hai nửa phía tây và phía đông của thành phố.

Huyện lỵ là thị trấn Thạch Hà nằm trên quốc lộ 1A ngay cửa ngõ vào thành phố Hà Tĩnh, cách thủ đô Hà Nội 340 km, cách thành phố Vinh 40 km, cách thành phố Hà Tĩnh 7 km.

Đây cũng là địa phương có dự án Đường cao tốc Hà Tĩnh – Quảng Bình đi qua đang được xây dựng.