Xã Đồng Liên nằm ở phía đông nam thành phố Thái Nguyên, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Phú Bình
• Phía tây giáp phường Cam Giá và phường Hương Sơn
• Phía nam giáp thành phố Sông Công
• Phía bắc giáp huyện Đồng Hỷ và xã Huống Thượng.

Xã Đồng Liên có diện tích 8,83 km², dân số năm 2016 là 4.977 người[2], mật độ dân số đạt 564 người/km².

Xã nằm ở đầu nguồn của hệ thống sông Máng, một kênh tưới tiêu nhân tạo được xây dựng từ thời Pháp thuộc chảy qua. Đường sắt Kép - Lưu Xá chạy qua địa bàn xã.