Huyện Thanh Oai phía Bắc và phía Tây Bắc giáp quận Hà Đông (với Sông Nhuệ chảy ở rìa phía Đông Bắc huyện, là ranh giới tự nhiên), phía Tây giáp huyện Chương Mỹ (với Sông Đáy là ranh giới tự nhiên), phía Tây Nam giáp huyện Ứng Hòa, phía Đông Nam giáp huyện Phú Xuyên, phía Đông giáp huyện Thường Tín và phía Đông Bắc giáp huyện Thanh Trì của thủ đô Hà Nội.
Huyện Thanh Oai có huyện lỵ là thị trấn Kim Bài và 20 xã: Bích Hòa, Bình Minh, Cao Dương, Cao Viên, Cự Khê, Dân Hòa, Đỗ Động, Hồng Dương, Kim An, Kim Thư, Liên Châu, Mỹ Hưng, Phương Trung, Tam Hưng, Tân Ước, Thanh Cao, Thanh Mai, Thanh Thùy, Thanh Văn, Xuân Dương.