Thành phố Sầm Sơn nằm ở phía đông của tỉnh Thanh Hóa. Trung tâm hành chính mới của thành phố Sầm Sơn cách trung tâm thành phố Thanh Hóa 13km về phía tây bắc.

Sầm Sơn có hai phần đất liền và biển. Đây là điểm khác biệt so với 21 huyện, thị xã, thành phố không có biển ở Thanh Hóa. Phần đất liền Sầm Sơn có diện tích là 44,942km2(1), chỉ bằng 0,4% diện tích tự nhiên đất liền của tỉnh Thanh Hóa và là đơn vị hành chính có diện tích nhỏ nhất tỉnh Thanh Hóa. Phần biển của Sầm Sơn có diện tích hàng ngàn km2, gấp vài chục lần diện tích đất liền. Đây là một lợi thế để Sầm Sơn phát triển kinh tế biển, sớm trở thành một đô thị biển vững mạnh.

Trên bản đồ, hình dạng phần đất liền của Sầm Sơn giống như một mũi tên hướng về phía đông bắc. Chiều dài theo đường chim bay của vùng đất Sầm Sơn theo hướng tây nam - đông bắc từ thôn Huệ Nghiêm, xã Quảng Đại đến Cửa Hới là 12km và chiều rộng theo hướng tây bắc - đông nam từ bãi Sông Mã của tổ dân phố Vinh Phúc (thành lập từ hai làng Thọ Phúc và Thọ Vinh), phường Quảng Thọ đến mũi Gầm (núi Trường Lệ) là 6,4km.

Tọa độ địa lí phần đất liền của thành phố Sầm Sơn như sau:

- Điểm cực Bắc cũng là điểm cực Đông là Cửa Hới có vĩ độ 19046’55”B và kinh độ 105055’50”Đ.

- Điểm cực Nam có vĩ độ 19041’44”B thuộc địa phận xã Quảng Đại.

- Điểm cực Tây có tọa độ 105049’05”Đ thuộc địa phận xã Quảng Minh.

Hệ tọa độ địa lí này mang đến cho Sầm Sơn nhiều lợi ích:

- Toàn bộ diện tích thành phố đều nằm trọn trong múi giờ thứ 7 (giờ quốc tế GMT) nên thuận tiện cho việc quản lí thống nhất các hoạt động hành chính, sản xuất, văn hóa, xã hội và mọi mặt sinh hoạt của con người trên địa bàn.

- Diện tích của thành phố nằm trọn trong vùng nhiệt đới nên có nguồn năng lượng Mặt Trời dồi dào. Đấy là động lực để hàng loạt quá trình tự nhiên diễn ra liên tục với cường độ mạnh, đảm bảo sự sinh sôi, nảy nở và phát triển của thế giới sinh vật; làm cho thiên nhiên Sầm Sơn in đậm tính chất của thiên nhiên nhiệt đới ẩm gió mùa.

Thành phố Sầm Sơn có 11 đơn vị hành chính cấp cơ sở, gồm 8 phường: Bắc Sơn, Trung Sơn, Trường Sơn, Quảng Tiến, Quảng Cư, Quảng Châu, Quảng Thọ, Quảng Vinh và 3 xã: Quảng Minh, Quảng Hùng, Quảng Đại. Số lượng phường, xã ít tạo thuận lợi cho công tác quản lí, điều hành các hoạt động kinh tế - xã hội trên địa bàn

Phía bắc của Sầm Sơn là huyện Hoằng Hóa với ranh giới là Sông Mã trên chiều dài 8km.

Phía đông là vịnh Bắc Bộ với chiều dài đường bờ biển 15,3km.

Phía nam là xã Quảng Hải, huyện Quảng Xương.

Phía tây nam là các xã: Quảng Giao, Quảng Đức và Quảng Định, huyện Quảng Xương.

Phía tây là thành phố Thanh Hóa.

Vị trí này mang đến cho Sầm Sơn nhiều lợi ích:

- Theo hướng đông - tây, thành phố Sầm Sơn là điểm xuất phát của hành lang kinh tế - đô thị dọc quốc lộ 47 kết nối với vùng động lực phía tây của tỉnh (Lam Sơn - Sao Vàng), đồng thời là điểm đến của khu vực phía Tây Thanh Hóa và Đông Bắc Lào.

- Theo trục quốc lộ 47, quốc lộ 45 kết nối Sầm Sơn với di sản thế giới thành Nhà Hồ và các điểm du lịch của khu vực phía Tây của tỉnh Thanh Hóa.

- Từ Sầm Sơn theo đường Voi - Sầm Sơn đến quốc lộ 45 kết nối với khu du lịch Bến En và theo đường Sao Vàng - Nghi Sơn kết nối với khu kinh tế Nghi Sơn. Đồng thời, quay về Sầm Sơn theo hành lang du lịch ven biển tạo thành tuyến du lịch khép kín phía nam.

- Từ Sầm Sơn theo đường ven biển kết nối khu du lịch biển Hải Tiến (Hoằng Hóa), động Từ Thức (Nga Sơn), cụm di tích văn hóa tâm linh Bỉm Sơn (đền Sòng, đền Chín Giếng), đền Phố Cát (Thạch Thành), thành Nhà Hồ (huyện Vĩnh Lộc) quay trở lại Sầm Sơn hình thành tuyến du lịch khép kín phía bắc. Qua tuyến đường bộ ven biển, thành phố Sầm Sơn không chỉ kết nối với các vùng kinh tế ven biển trong tỉnh mà còn với các tỉnh khác như: Ninh Bình, Nam Định, Thái Bình, Hải Phòng, Quảng Ninh…

- Theo đường thủy dọc Sông Mã sẽ hình thành tuyến du lịch trên sông kết nối Sầm Sơn qua di tích Hàm Rồng - Núi Đọ - ngã Ba Bông với cụm di tích văn hóa tâm linh đền Hàn Sơn, đền Cô Bơ và các điểm du lịch khác dọc Sông Mã...

- Qua cảng Lễ Môn (thành phố Thanh Hóa, cách Sầm Sơn khoảng 10km), Sầm Sơn có thể thiết lập các mối quan hệ với nhiều vùng khác trong tỉnh (bằng đường biển và đường sông), trong nước và quốc tế (bằng đường biển).

- Theo Quốc lộ 47 và quốc lộ 1A, Sầm Sơn có thể kết nối thuận lợi với tất cả các vùng kinh tế trọng điểm và các thành phố khác của cả nước.

Chính nhờ vị trí địa lí đặc biệt đó mà trong suốt chiều dài lịch sử, vùng đất này đã trở thành điểm hẹn của các cộng đồng người từ các vùng miền khác nhau mang theo những sắc thái văn hóa, những kinh nghiệm sản xuất đa dạng hội tụ về đây khai thác thiên nhiên, lập nghiệp, sinh sống và cùng tạo nên tính độc đáo của văn hóa Sầm Sơn. Trong lịch sử, Sầm Sơn cũng là một hậu phương của Mặt trận Thượng Lào và chiến dịch Điện Biên Phủ; của đường Hồ Chí Minh trên biển và chiến trường miền Nam. Ngày nay, vị trí địa lí này đang mở ra nhiều cơ hội để Sầm Sơn khai thác những tiềm năng, lợi thế nhằm phát triển bền vững kinh tế - xã hội.

Tuy nhiên, so với yêu cầu của Nghị quyết số 1211/2016/UBTVQH13 của Quốc hội về tiêu chuẩn của đơn vị hành chính và phân loại đơn vị hành chính(1), đối với thành phố thuộc tỉnh về diện tích tự nhiên phải từ 150km2 trở lên, thì thành phố Sầm Sơn mới đạt được gần 1/3.