Vườn quốc gia Bái Tử Long nằm trong vùng hình chữ nhật có tọa độ địa lý giữa 20°55'05" đến 21°15'10" vĩ độ Bắc và 107°30'10" đến 107°46'20" kinh độ Đông. Diện tích tự nhiên của vườn quốc gia nằm tại 3 xã của huyện Vân Đồn là Minh Châu, Vạn Yên và Hạ Long.

Bái Tử Long bao gồm các đảo có tổng diện tích là 61,25 km2 và khu vực biển thủy sinh có diện tích 96,58 km2. Khu vực bao gồm 40 đảo và đảo đá được chia thành 3 nhóm đảo là nhóm đảo Ba Mùn, nhóm đảo Trà Ngọ và nhóm đảo Sậu. Khu vực thủy sinh bao gồm các vùng biển giữa các đảo và cách khu vực đất liền khoảng 1 km. Ngoài ra, vườn quốc gia còn có vùng đệm có diện tích 165,34 km2 thuộc 5 xã là Minh Châu, Vạn Yên, Bản Sen, Quan Lạn và Hạ Long. Dân số sinh sống trong vùng lõi và vùng đệm của vườn quốc gia Bái Tử Long là khoảng 24.000 người.