nằm về phía đông nam tứ giác Long Xuyên; huyện lỵ đặt tại thị trấn Núi Sập. Phía Bắc giáp huyện Châu Thành, Tây Bắc giáp huyện Tri Tôn, Đông giáp thành phố Long Xuyên, Nam giáp huyện Thốt Nốt (Cần Thơ), Tây và Tây Nam giáp huyện Tân Hiệp và Hòn Đất (Kiên Giang). Thoại Sơn có diện tích tự nhiên là 46.885,52 ha, trong đó có 41.261,22 ha đất canh tác. Toàn huyện có 42.267 hộ với 180.951 nhân khẩu, được phân bố trên 14 xã, 3 thị trấn (Núi Sập, Óc Eo và Phú Hòa) với 76 ấp (số liệu thống kê ngày 31-12-2010).
Ngoài những ngọn núi cuối cùng được thiên nhiên ban tặng ở đồng bằng Tây Nam Bộ thì địa hình còn lại của huyện bằng phẳng, đất thuần nông, chịu ảnh hưởng lũ hàng năm của sông Hậu. Các xã phía Đông và Nam đất phù sa màu mỡ, các xã phía Bắc ruộng đất còn nhiễm phèn, đất triền núi trồng cây ăn trái và hoa màu, diện tích nhỏ. Thoại Sơn có hệ thống kênh rạch chằng chịt, dân cư phân bố theo tuyến sông và kênh, tạo nguồn nhân lực cải tạo đất. Vị trí của huyện nằm ở vĩ độ Bắc từ 10011’ đến 11022’ và kinh độ Đông từ 10506’ đến 105017’; khí hậu nhiệt đới, có gió mùa với hai mùa nắng, mưa rõ rệt; nhiệt độ trung bình hàng năm 28,60C.
Những năm gần đây, với chủ trương “Nhà nước và nhân dân cùng làm”, Đảng bộ đã lãnh đạo nhân dân đào mới và nạo vét hàng trăm km kênh mương để tháo chua rửa phèn, cùng với việc xây dựng hệ thống đê bao chống lũ đã biến toàn bộ diện tích lúa mùa nổi trước đây thành diện tích đất trồng lúa 2 vụ rồi 3 vụ/năm. Cụm núi Sập và núi Ba Thê cũng được cải tạo thành 2 khu du lịch chủ yếu của Thoại Sơn.