Tây Sơn là một huyện trung du nằm ở phía tây tỉnh Bình Định, là nơi bắt đầu của một khu vực đồng bằng rộng lớn trên lưu vực sông Kôn và sông Hà Thanh, không giáp biển, có vị trí địa lý:

• Phía tây bắc giáp huyện Vĩnh Thạnh
• Phía đông bắc giáp huyện Phù Cát
• Phía đông nam giáp thị xã An Nhơn
• Phía nam giáp huyện Vân Canh
• Phía tây giáp thị xã An Khê và các huyện Đắk Pơ, Kông Chro, tỉnh Gia Lai.

Huyện Tây Sơn có diện tích tự nhiên là 692,96km², dân số 176.600 người.

Khí hậu của huyện thuộc kiểu nhiệt đới gió mùa, với 2 mùa chủ đạo là mùa khô từ tháng 3 đến tháng 10 và mùa mưa từ tháng 11 đến tháng 2. Mùa mưa ở đây thường kèm theo thời tiết lạnh và độ ẩm cao, ngược lại mùa khô thường có nắng nóng gay gắt. Nhiệt độ thấp kỷ lục ở đây từng được ghi nhận là 13°C và cao nhất là 39°C.

Sông Côn chảy qua địa bàn huyện theo hướng Đông Nam, từ huyện Vĩnh Thạnh tới Thị xã An Nhơn. Huyện lỵ là thị trấn Phú Phong, nằm trên bờ sông Kôn, cách thành phố Quy Nhơn 40 km, cách sân bay Phù Cát 20 km, và có quốc lộ 19 chạy qua. Đèo An Khê, trên quốc lộ 19 cũng là ranh giới giữa Tây Sơn với thị xã An Khê, tỉnh Gia Lai.