Huyện Tân Sơn nằm ở phía tây nam tỉnh Phú Thọ và là huyện cực tây của tỉnh (điểm cực nằm tại xã Thu Cúc), có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Thanh Sơn
• Phía đông bắc giáp huyện Yên Lập
• Phía tây bắc giáp tỉnh Yên Bái
• Phía tây giáp tỉnh Sơn La
• Phía nam giáp tỉnh Hòa Bình.

Tân Sơn đồng thời là huyện có diện tích lớn nhất tỉnh Phú Thọ và xã Thu Cúc cũng là xã có diện tích lớn nhất trong số các xã của Phú Thọ (thậm chí còn lớn hơn cả thị xã Phú Thọ).

Huyện có 68.858 ha diện tích tự nhiên và 75.897 nhân khẩu, trong đó 83% là đồng bào các dân tộc: Mường, Dao, H'Mông, Thái, La Chí, Tày, Nùng...

Trên địa bàn huyện có Vườn quốc gia Xuân Sơn, trải rộng chủ yếu trên xã Xuân Sơn. Đây là một trong các khu rừng đặc dụng của Việt Nam, với thảm thực vật phong phú, các hang động kỳ thú.