Thạch Thành nằm về phía Bắc Đông Bắc của Tỉnh Thanh Hóa, là một trong 11 huyện miền núi của tỉnh. Huyện lỵ cách thành phố Thanh hóa 58 Km.
Giới hạn từ 1050,26’ đến 105047’ kinh độ Đông và từ 20003’ đến 20025’08” vĩ độ Bắc.
Bắc và Tây bắc giáp huyện Lạc Sơn, Tân Lạc tỉnh Hòa Bình. Đông Bắc giáp huyện Nho Quan tỉnh Ninh Bình. Đông giáp huyện Hà Trung. Nam giáp huyện Vĩnh Lộc. Tây Tây Bắc giáp huyện Cẩm Thủy, Bá Thớc.
Địa hình Thạch Thành nh một con thú ngồi, đợc hình thành bởi hai lòng máng lớn kề nhau. Bắc và Tây Bắc cao, thấp dần về phía Nam. Phía Bắc Tây Bắc tiếp giáp với dãy núi đá vôi chạy từ Phong Thổ (Lai Châu) xuống Ninh Bình. Phía giữa huyện là dãy núi đất dốc ông Lào đến dốc Cây Trầu đi Ngọc Trạo. Phía Nam huyện là dãy núi đất Hang ma (Xã Thạch Long), Núi Đá Rừng (Xã Thành Long), Phía Tây núi Ô Tráng - Đồi Tru (Xã Thạch Cẩm), núi Ban Long (EoTrăn).
Thạch Thành có sông Bởi (Sông Bảo, Sông Tế Giang, Sông Bái) bắt nguồn từ huyện Tân Lạc (Hòa Bình) chảy suốt chiều dài của huyện (Từ xóm Bái Nhai xã Thạch Lâm) đến làng (Cổ Tế xã Thạch Long) rồi tiếp vùng hạ lu đổ vào sông Mã giữa hai xã Vĩnh Khang, Vĩnh Hòa (Vĩnh Lộc). Sông dài khoảng 130Km, phần chảy qua huyện dài 60Km, chia huyện thành hai phía: Tả ngạn và hữu ngạn.
Phía Hữu ngạn gồm các xã: Thạch Lâm, Thạch Tợng, Thạch Quảng, Thạch Cẩm, Thạch Sơn, Thạch Bình, Thạch Tân, Thạch Định, Thạch Đồng, Thạch Long.
Phía Tả Ngạn gồm các xã: Thành Yên, Thành Mỹ, Thành Vinh, Thành Trực, Thành Minh, Thành Công, Thành Tân, Thành Vân, Thị trấn Vân Du, Thành Tâm,
Ngọc Trạo, Thành An, Thành Thọ, Thành Long, Thành Tiến, Thị trấn Kim Tân, Thành Kim, Thành Hng.
Sông Bởi có lu vực rộng (Sông Ngang, Hón Khống, Hón Bầu) lòng sông hẹp, rốc lại chảy qua vùng đá vôi, đá ong ít ngấm nên thủy chế thất thờng. Ma xong nớc dâng lên nhanh, sau ma kiệt cũng nhanh. Mực nớc mùa ma và mùa hạ cách nhau hàng 10m. Thợng lu lắm thác ghềng, thuyền chỉ lên đến Thạch Yến (Thạch Cẩm). Mùa nớc kiệt bắt đầu từ tháng 2, tháng 3, mùa nớc lũ bắt đầu từ tháng 8 đến tháng 11. Lu lợng nớc chênh lệch giữa mùa kiệt và mùa lũ rất lớn từ 600 đến 1200 lần. Việc trị thủy sông Bởi là rất khó khăn nên phơng án cuối cùng là chấp nhận sống chung với lũ, việc sản xuất nông nghiệp phải chuyển đổi cơ cấu mùa vụ cho thích hợp với đồng đất.
Phía Đông Nam huyện có dòng sông Mơn bắt nguồn từ Hang Treo chảy qua Thành tâm, Ngọc Trạo đổ vào sông Hoạt chảy ra Cầu Cừ.
Thạch Thành có diện tích tự nhiên là 55 811 ha, song địa hình Thạch Thành bị chia cắt bởi hệ thống sông, suối, núi đồi, tạo nên những lòng máng. Địa hình ấy tạo cho Thạch Thạch nhiều thuận lợi nhng cũng không ít khó khăn. Đó là vùng căn cứ địa trong thời chiến và là địa bàn giao lu kinh tế trong thời bình.
Đất đai Thạch Thạch về đại thể có thể chia làm hai loại chính: Là Felitic và phù sa.
Căn cứ vào địa hình, kết cấu địa tầng có thể chia làm 3 vùng sản xuất: Vùng cao, vùng giữa, vùng bằng.
Quỹ đất dành cho nông nghiệp là 18 720ha. Bình Quân tự nhiên (2004) là: 0,47ha/đầu ngời. Riêng đất nông nghiệp bình quân là: 0,15ha/ngời. Cao hơn bình quân chung toàn quốc là: 0,05ha/ngời. Mức bình quân ruộng đất cao là thế mạnh, huyện còn một lợi thế nữa là vùng đất tốt, khá tốt chiếm khoảng 10.000 đến 12.000ha, chiếm 2/3 diện tích đất nông nghiệp.
Có đất, đất mầu mỡ là những điều kiện thiết yếu để đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp phát triển.
Khí hậu Thạch Thành nhìn chung là nhiệt đới, gió mùa nhng ảnh hởng khí hậu miền Bắc nhiều hơn miền Trung và có những đặc điểm riêng của tiểu vùng. Qua quan sát ta thấy khí hậu Thạch Thành nóng ẩm, có 2 mùa rõ rệt.
- Mùa hè chịu ảnh hởng của gió Tây (Gió Lào). - Mùa Đông chịu ảnh hởng của gió mùa Đông bắc.
Nhiệt độ trung bình hàng năm là 2209. Cao nhất vào tháng 7 khoảng 320 đến 330, thấp nhất là tháng 1 khoảng 120 đến 140. Chênh lệch trong ngày từ 10 đến 80. Cao nhất tuyệt đối 380, thấpnhất tuyệt đối khoảng 50. Lợng bốc hơi bình quân hàng năm là 684,3mm. Nhiều nhất vào tháng 50 là 101,8mm, thấp nhất vào tháng 3 là 41mm. Trung bình ngày là 5,5mm. Độ ẩm bình quân là 85%. Cao nhất tuyệt đối là 91%. Thấp nhất tuyệt đối là 31%. Số ngày ẩm (85%) là 210 ngày. Số ngày có sơng mù khoảng 90-95 ngày.
Thạch Thành là vùng tiểu khí hậu, ma gió thất thờng. Lợng ma trung bình hàng năm từ 1.500 đến 1.700 ml/hg. Năm cao nhất là 2.000ml/hg. Năm thấp nhất là 700ml/hg. Lợng ma phân bố không đều trên các vùng, các tháng, phía bắc th- ờng ma sớm và có lợng ma lớn. Ma thờng tập trung vào các tháng 4,5,8,9,10. Do l- ợng ma không đều nên thủy chế trên sông Bởi rất thất thờng, gây ra lũ lụt cũng thất thờng, có năm tháng 11 còn lụt (1984).
Thạch Thành là vùng núi nên cách đây khoảng 60đến 70 năm về trớc trong thế kỷ 20 rừng núi Thạch Thành là một màu xanh bất tận, diện tích là rừng già.
Theo lịch sử Thanh Hóa (tập 1), Rừng Quốc gia Cúc Phơng rất đang dạng phong phú về động thực vật riêng động vật có sơng sống đã có tới 64 loài, 137 loài chim, 33 loài bò sát. Về thực vật đã thống kê đợc 134 họ chiếm 68% học thực vật ở Việt Nam trong đó có 1569 loài có giá trị kinh tế, bao gồm 225 loài có quả ăn đợc, cây làm thuốc có tới 423 loài, cây lấy bột có tới 137 loài và nhiều loại gỗ quý.