Phạm vi hành chính của đồng bằng Thanh Hóa gồm thành phố Thanh Hoá, thị xã Sầm Sơn và thị xã Bỉm Sơn (trừ phường Bắc Sơn), các huyện Thiệu Hoá, Nông Cống, Đông Sơn, Hoằng Hoá, Nga Sơn, Hậu Lộc, Quảng Xương, Thọ Xuân (trừ các xã Xuân Phú, Thọ Lâm, Xuân Châu, Xuân Thắng, Quảng Phú), Vĩnh Lộc (trừ các xã Vĩnh Hưng, Vĩnh Hùng, Vĩnh Thịnh, Vĩnh Quang, Vĩnh Long), Triệu Sơn (trừ các xã Thọ Sơn, Bình Sơn, Thọ Bình, Triệu Thành), Tĩnh Gia (trừ các xã Phú Sơn, Phú Lâm, Trường Lâm, Tân Trường), Hà Trung (trừ các xã Hà Long, Hà Đông, Hà Lĩnh, Hà Sơn, Hà Tiến, Hà Tân), Yên Định (trừ xã Yên Lâm).[4]

Diện tích của đồng bằng Thanh Hóa, bao gồm toàn bộ diện tích các đơn vị hành chính nêu trên, vào khoảng 2.600 km² (chiếm khoảng 24% diện tích tỉnh Thanh Hóa), với dân số tương ứng trong thời kì 1999-2009 là khoảng 2.500.000 người (chiếm khoảng 71% dân số tỉnh Thanh Hóa)[5], mật độ dân số đạt khoảng 960 người/km². Số liệu này có thể bao gồm vùng đồi thấp ở rìa đồng bằng. Theo một tài liệu khác, diện tích của đồng bằng Thanh Hóa là 1.800 km²[2].[6]