Xã Xuân Bái nằm ở cực tây của huyện Thọ Xuân, tỉnh Thanh Hóa.Phía Bắc giáp xã Phúc Thịnh và xã Kiên Thọ huyện Ngọc Lặc, phía Tây giáp xã Xuân Dương, Thọ Thanh và xã Xuân Cao huyện Thường Xuân, phía Đông giáp xã Thọ Xương và phía Nam giáp xã Xuân Phú cùng huyện.Phía bắc và phía tây bao quanh bởi Hữu ngạn sông Chu, con sông lớn thứ hai của tỉnh Thanh Hóa, tả ngạn là huyện Thường Xuân,cách đường Hồ Chí Minh 2 km về hướng tây và cách thị trấn Thọ Xuân 18 km về hướng tây. Xã có nhiều dân tộc cùng sinh sống bao gồm Kinh, Mường Thái, Hoa và Thái Lan, ngoài ra còn có người gốc Bắc gồm: Hà Nội, Nam Định, Hải Phòng và người miền Trung gồm Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Nam-Đà Nẵng.