Lập Thạch là huyện miền núi phía tây bắc của tỉnh Vĩnh Phúc, phía bắc giáp huyện Sơn Dương tỉnh Tuyên Quang với dãy núi Tam Đảo, phía đông giáp huyện Tam Đảo và huyện Tam Dương cùng tỉnh, phía nam giáp huyện Vĩnh Tường, phía tây giáp huyện Sông Lô (được thành lập trên cơ sở tách ra từ huyện Lập Thạch cũ kể từ ngày 23 tháng 12 năm 2008) và thành phố Việt Trì tỉnh Phú Thọ.
Huyện nằm ở vị trí từ 105°30′ đến 105°45′ kinh Đông và 21°10′ đến 21°30′ vĩ Bắc.