Xã Phú Thịnh nằm ở phía bắc huyện Đại Từ, cách thành phố Thái Nguyên khoảng 33 km, cách thị trấn Hùng Sơn 9 km, có vị trí địa lý:

Phía đông giáp xã Phú Lạc

Phía tây giáp xã Phú Xuyên

Phía nam giáp xã Bản Ngoại và xã Phú Xuyên

Phía bắc giáp xã Na Mao và xã Phú Cường.

Xã Phú Thịnh có diện tích 1.026,53ha, dân số tính đến 31/12/2021 là 4.583 nhân khẩu, 1.102 hộ, được chia theo địa giới hành chính 10 xóm.

Đây là điểm đầu của tuyến tỉnh lộ 264 nối giữa hai huyện Đại Từ và Định Hóa, quốc lộ 3 cũng đi qua khu vực giáp ranh phía nam của xã. Dòng chính của sông Công chảy qua xã Phú Thịnh theo chiều Đông - Tây.