Quảng Xương là huyện đồng bằng ven biển về phía Đông Nam của tỉnh Thanh Hoá, nằm trong toạ độ từ 19034' đến 19047' vĩ độ Bắc và từ 105046' đến 105053' kinh độ Đông. Phía Bắc giáp thành phố Thanh Hoá và huyện Hoằng Hoá, lấy sông Mã làm ranh giới. Phía Nam giáp huyện Tĩnh Gia, Nông Cống, lấy sông Yên làm ranh giới. Phía Đông giáp biển Đông và thị xã du lịch Sầm Sơn, phía Tây giáp huyện Đông Sơn.
Huyện Quảng Xương có đường quốc lộ 1A chạy theo hướng Bắc – Nam từ cầu Quán Nam (Quảng Thịnh) đến Cầu Ghép (Quảng Trung) dài 18 km thuận lợi cho việc lưu thông. Trên địa bàn huyện có 3 tuyến đường 4A, 4B, 4C chạy song song dọc bờ biển. Ngoài ra còn có quốc lộ 47 từ thanh phố Thanh Hoá đi Sầm Sơn ở phía Bắc và quốc lộ 48 từ ngã ba Voi đi Nông Cống. Các tuyến đường liên xã như Cống Trúc, Lăng, Quảng Yên, đường Thanh Niên, Lưu Vệ, Quảng Xương… thuận tiện cho việc đi lại, giao lưu hàng hoá và phát triển kinh tế - xã hội.
Ngoài 3 con sông tự nhiên làm ranh giới, huyện Quảng Xương còn có các sông tự nhiên và nhân tạo như: sông Thống Nhất được đào năm 1976, sông Hoàng và sông Lý cải tạo từ sông tự nhiên mà thành từ năm 1978. Ngoài ra còn có sông Nhà Lê hay còn gọi là sông Rào nay đã bị lấp cạn.
Đặc biệt, Quảng Xương giáp thị xã du lịch Sầm Sơn và Vịnh Bắc Bộ, chiều dài đường bờ biển là 18,2 km, gần cửa Lạch Hới phía Bắc và cửa Lạch Ghép phía Nam là các cửa lạch lớn thông ra biển Đông, tạo thế mạnh cho nghề đánh bắt hải sản ngoài khơi và phát triển du lịch biển. Phía Bắc giáp khu công nghiệp Lễ Môn của thành phố Thanh Hoá và phía Nam gần khu công nghiệp
động lực Tĩnh Gia – Nghi Sơn có tác động lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội của huyện.