18,10 08 – 18,29 độ vĩ Bắc và 105,38 -106,2 độ kinh đông; phía bắc giáp các huyện Can Lộc và Lộc Hà; phía nam giáp huyện Cẩm Xuyên; phía tây là huyện Hương Khê và phía đông là biển. Thành phố Hà Tĩnh nằm lọt vào giữa, cắt địa bàn huyện thành hai phần tách rời nhau. Phần phía tây là các xã, duyên sơn và đồng bằng, phần phía đông là các xã duyên hải. Diện tích tự nhiên toàn huyện là 355,03 km2 và dân số là 129.364 người (Theo số liệu thống kê đến 1/1/2011).
Cách ngày nay trên 10 vạn năm, phần lớn vùng đất Thạch Hà bây giờ còn là biển. Sau đó “biển lùi”, nước đại dương hạ thấp xuống 120m, rồi “biển tiến”, đưa mức nước lên như hiện nay. Ấy là vào thời đại của Vượn Người, cách ngày nay vài vạn năm. Từ một vùng biển được phù sa núi và cát biển bồi lấp, tạo thành địa hình Thạch Hà nhìn chung không mấy phức tạp.
Phía tây, liền với vùng núi Hương Khê là dải núi đồi thấp, rìa ngoài của rặng Trường Sơn Bắc, kéo dài 24km từ động Sơn Mao (Thạch Ngọc) đến ngọn Báu Đài (Thạch Lưu), Nhật Lệ (Thạch Điền). Vùng bán sơn địa này rộng khoảng 11000 – 12000 ha chiếm 25% diện tích toàn huyện (Theo tài liệu điều tra của Tổng cục Thủy sản)(1). Các núi đều ở độ cao trung bình 200 – 250m, trừ ngọn Nhật Lệ (416m). Phía đông huyện có nhiều núi nhỏ, thấp và dãy Nam Giới với ngọn Quỳnh Sơn (373m) vốn là những hòn đảo trong vũng biển xưa.
Thạch Hà có mạng lưới sông ngòi khá dày, 10km/1km2. Tổng lưu vực hứng nước rộng gần 800km2. Các sông suối, trong đó có ba sông chính (sông Dà - Hà Hoàng, sông Cày, sông Rào Cấy) mỗi năm đổ ra cửa Sót 36 – 40 triệu m3 nước và 7 vạn tấn bùn, cát. Bờ biển dài khoảng 20km với tổng diện tích vùng đặc quyền kinh tế là 3310km2 (TLĐD).
Thạch Hà là một vùng đất cổ, con người đã có mặt ở đây từ thời hậu kỳ Đá Mới, cách ngày nay khoảng 4800 năm.
Thời xa xưa, đất Thạch Hà nằm trong bộ lạc Việt Thường, nước cổ Văn Lang. Thời Bắc thuộc vào giữa thế kỷ thứ VII, nhà Đường cắt phần đất phía nam Hoan Châu, lập châu ki mi (cai quản lỏng lẻo) Phúc Lộc – Đường Lâm gồm phần đất phía nam tỉnh Hà Tĩnh ngày nay. Thạch Hà nằm trong châu / quận Phúc Lộc – Đường Lâm. Đầu thời tự chủ nhà Tiền Lê lấy phần phía đông châu Phúc Lộc – Đường Lâm xưa, đặt châu Thạch Hà. Tên Thạch Hà có từ đó, và được chép vào sử sách (Việt sử lược, Đại Việt sử ký toàn thư…) sớm nhất vào những năm 1005 và 1009, cách ngày nay trên 1000 năm. Nhà Lý đặt trại Định Phiên và lấy phần đất phía bắc châu Thạch Hà lập huyện Thạch Hà. Đời Trần – Hồ và thời thuộc Minh, vùng này có những thay đổi về tên gọi, nhưng đến năm Quang thuận thứ 10 (1469) vua Lê Thánh Tông định bản đồ cả nước, tên huyện Thạch Hà được khôi phục và tồn tại đến ngày nay. Dưới thời Lê – Mạc, huyện Thạch Hà thuộc phủ Hà Hoa, xứ/ trấn Nghệ An.
Năm Tân Mão, Minh Mệnh thứ 42 (1831) nhà Nguyễn cắt phần đất phía nam trấn Nghệ An gồm 2 phủ, 6 huyện lập tỉnh Hà Tĩnh. Thạch Hà vẫn thuộc phủ Hà Hoa (từ 1841 là Hà Thanh). Năm đầu Khải Định (1916) bỏ phủ Hà Thanh, Thạch Hà được nâng lên thành phủ. Sau cách mạng tháng 8-1945, bỏ phủ, lấy lại tên huyện Thạch Hà cho đến nay.
Địa bàn huyện Thạch Hà từ đời Lý cho đến đầu thế kỷ XX ở vào khoảng giữa sông Nghèn – Hà Hoàng và sông Rào Cấy (sông Nài).
Đời Lê Thánh Tông, năm 1469, Thạch Hà có 31 xã. Đời Nguyễn Minh mệnh có 7 tổng, 54 xã, thôn, trang, sở, giáp, đội, vạn. Đời Tự Đức (năm 1853), có 7 tổng, 51 xã, thôn, trang, vạn. Năm 1921 đời Khải Định cắt tổng Đoài gồm 21 xã thôn của Thạch Hà chuyển cho Can Lộc, và nhận của Can Lộc 2 tổng Canh Hoạch và Vĩnh Luật gồm 27 xã, thôn, phường, vạn. Thạch Hà có 8 tổng, 57 xã, thôn, phường, vạn… Đến năm 1942, theo tài liệu của Tòa công sứ Pháp, Thạch Hà có 8 tổng, gồm 85 xã, thôn.
Sau cách mạng Tháng Tám, địa bàn thu hẹp dần. Năm 1945-1946, Thạch Hà chuyển cho Can Lộc 3 thôn thuộc tổng Đông và 3 thôn thuộc tổng Canh Hoạch; số 79 xã, thôn còn lại hợp thành 26 xã. Năm 1950-1951, 26 xã lại hợp thành 17 xã lớn. Năm 1954, 17 xã lớn chia thành 44 xã nhỏ. Từ 1965 đến 1985 lập thêm các xã Thạch Bàn, Ngọc Sơn, Nam Hương, Bắc Sơn và Thị trấn Cày (trên đất xã Thạch Thượng). Đến năm 2001, nhập xã Thạch Thượng và một số xóm của xã Thạch Lưu vào Thị trấn Cày thành Thị trấn Thạch Hà.
Trong hai năm 1989 và 2004, theo quyết định của Chính phủ, Thạch Hà cắt 11 xã chuyển nhập Thị xã Hà Tĩnh (nay là Thành phố Hà Tĩnh) và năm 2007 lại cắt 6 xã chuyển về huyện mới Lộc Hà.
Huyện Thạch Hà hiện nay còn lại 31 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm 30 xã và 1 thị trấn huyện lỵ.