Thị trấn Tây Sơn nằm phía Tây Nam huyện Hương Sơn, phía Bắc và Đông giáp xã Sơn Tây, phía Tây và Nam giáp xã Sơn Kim 1 và Sơn Kim 2. Với diện tích tự nhiên 466,23 ha, trong đó, đất nông nghiệp 92,42 ha, đất lâm nghiệp 201,50 ha, đất ven sông 3,6 đất phi nông nghiệp 102,59 ha, đất ao hồ 1,27 ha.

Diện tích đất lâm nghiệp chiếm 32,97% tổng diện tích tự nhiên, đã được giao cho nhân dân quản lý. Hệ tài nguyên rừng tự nhiên ở đây khá phong phú, diện tích đồi núi đã được trồng cây lâm nghiệp, độ che phủ đạt tỷ lệ 100 % .

          Thị trấn Tây Sơn có địa hình thấp dần theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Vùng đồi núi phân bố chủ yếu: phía Tây Bắc có dãy núi Rào Qua chảy về phía Tây Nam hợp lưu với sông Ngàn Phố chảy qua Thị trấn; phía Đông Bắc có đồi Thông; Phía Đông Nam có núi Trọ Voi, đập Cây Du, đồi Kim Thịnh.

         Thị trấn Tây Sơn nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa Bắc Trung bộ. Nhiệt độ bình quân trong năm là 23,6⁰C, lượng mưa trung bình đạt từ 1.400 - 2.300 mm. Mỗi năm có hai mùa rõ rệt:

         Tây Sơn là địa phương nằm trong Khu kinh tế Cửa khẩu Quốc tế Cầu Treo, là trung tâm giao lưu trao đổi hàng hoá dịch vụ thương mại với các nước bạn Lào và Thái Lan. Trục giao thông chính của Khu kinh tế Cửa khẩu Cầu Treo là Quốc lộ 8A, giao cắt với đường Hồ Chí Minh, Quốc lộ 1 và đường sắt Bắc Nam. Đây là tuyến đường ngắn nhất đến nước bạn Lào và vùng Đông bắc Thái Lan và ngược lại từ Đông bắc Thái Lan thông thương ra các nước qua cảng biển Vũng Áng, Sơn Dương (Hà Tĩnh). Đây không những là tuyến đường huyết mạch quan trọng trong giao lưu và phát triển kinh tế tỉnh Hà Tĩnh mà còn là con đường quốc tế, thông thương giữa nước ta và các nước trong khu vực. Tây Sơn là nơi giao thương quan trọng của huyện nên thương mại, dịch vụ phát triển mạnh. Chợ Tây Sơn là điểm buôn bán sầm uất, thu hút nhân dân các địa bàn lân cận đến giao dịch mua bán. Ngoài ra, tất cả hệ thống đường nội thị đều được nhựa hóa hoặc bê tông hóa đảm bảo sáng, sạch, đẹp, ô tô có thể vào tận từng nơi trong các khối phố.