Huyện Vĩnh Thạnh nằm ở phía tây bắc tỉnh Bình Định, cách thành phố Quy Nhơn 80 km, có vị trí địa lý:

• Phía đông và đông bắc giáp các huyện Hoài Ân, Phù Mỹ, Phù Cát
• Phía nam giáp huyện Tây Sơn
• Phía tây và tây bắc giáp huyện Kbang, thị xã An Khê, tỉnh Gia Lai, huyện Kon Plong, tỉnh Kon Tum và huyện An Lão.

Theo thống kê năm 2019, huyện có diện tích 701 km², dân số là 30.587 người, mật độ dân số đạt 44 người/km².[1]

Huyện Vĩnh Thạnh là địa bàn hội tụ 12 dân tộc anh em sinh sống, trong đó đông nhất là dân tộc Kinh.

Địa hình có nhiều đồi, núi. Sông Côn chảy qua huyện theo hướng Bắc-Nam. Vĩnh Thạnh có quỹ đất tự nhiên khá rộng, đứng thứ 2 (sau Vân Canh) trong 11 huyện, thành phố của tỉnh Bình Định (số liệu 2017 là 782,49/6.075,4 km2) chiếm 39% diện tích 3 huyện miền núi của tỉnh và 13% diện tích tự nhiên toàn tỉnh.