Huyện Trấn Yên nằm ở phía đông nam tỉnh Yên Bái, phía bắc giáp huyện Văn Yên và huyện Yên Bình, phía tây là huyện Văn Chấn, phía nam là tỉnh Phú Thọ, phía đông là huyện Yên Bình và thành phố Yên Bái.

Huyện Trấn Yên có diện tích 62.914,3 ha, dân số năm 2019 là 84.765 người, mật độ dân số đạt 135 người/km2. Huyện ly là thị trấn Cổ Phúc nằm trên tỉnh lộ 151, cách thành phố Yên Bái 13,5 km về hướng tây bắc.

Các ga Cổ Phúc và Ngòi Hóp của tuyến đường sắt Hà Nội - Lào Cai - Côn Minh nằm trên địa bàn huyện Trấn Yên.