Xã Tràng Xá nằm ở phía Đông Bắc tỉnh Thái Nguyên, có tọa độ địa lý khoảng từ 21°48′ đến 21°52′ vĩ độ Bắc, 105°57′ đến 106°02′ kinh độ Đông.

Phía đông giáp xã Dân Tiến

Phía tây giáp xã Văn Hán và xã Nam Hòa

Phía nam giáp xã Trại Cau và tỉnh Bắc Ninh

Phía bắc giáp xã Võ Nhai

Xã Tràng Xá có diện tích 119,18 km² (11.918ha), dân số năm 2025 là 14.609 người. Khu vực được định hướng tập trung phát triển cây ăn quả, chăn nuôi gia súc, gia cầm, du lịch sinh thái. Hạ tầng giao thông trên địa bàn xã có tỉnh lộ ĐT265, ĐT269D. Trên địa bàn xã có sông Dong, một phụ lưu của sông Thương.