สุโขทัย เป็นจังหวัดหนึ่งในภาคกลางตอนบนหรือบางแห่งแบ่งเป็นภาคเหนือตอนล่าง ของประเทศไทย มีอาณาเขตติดต่อกับจังหวัดแพร่ อุตรดิตถ์ พิษณุโลก กำแพงเพชร ตาก และลำปาง (เรียงตามเข็มนาฬิกาจากด้านเหนือ) มีแม่น้ำสายสำคัญไหลผ่านคือแม่น้ำยม เป็นที่ตั้งอาณาจักรแรกของชนชาติไทยเมื่อกว่า 700 ปีที่ผ่านมา คำว่า "สุโขทัย" มาจากคำสองคำคือ "สุข+อุทัย" มีความหมายว่า "รุ่งอรุณแห่งความสุข "

ตามการแบ่งจังหวัดเป็นภาคโดยคณะกรรมการภูมิศาสตร์แห่งชาติและราชบัณฑิตยสภา จังหวัดสุโขทัยตั้งอยู่ในภาคกลาง บริเวณตอนบนของภาค หากแบ่งเขตตามการพยากรณ์อากาศและเศรษฐกิจ สังคม จะจัดอยู่ในภาคเหนือตอนล่าง ห่างจากกรุงเทพมหานครตามระยะทางหลวงแผ่นดินประมาณ 440 กิโลเมตร มีอาณาเขตติดต่อกับจังหวัดใกล้เคียง ดังนี้ ทิศเหนือ ติดต่อกับอำเภอวังชิ้น อำเภอเด่นชัย จังหวัดแพร่ อำเภอลับแล และอำเภอตรอน จังหวัดอุตรดิตถ์ ทิศตะวันออก ติดต่อกับอำเภอพรหมพิราม จังหวัดพิษณุโลก และอำเภอพิชัย จังหวัดอุตรดิตถ์ ทิศใต้ ติดต่อกับอำเภอพรานกระต่าย อำเภอลานกระบือ จังหวัดกำแพงเพชร และอำเภอบางระกำ จังหวัดพิษณุโลก ทิศตะวันตก ติดต่อกับอำเภอเมืองตาก อำเภอบ้านตาก จังหวัดตาก และอำเภอเถิน จังหวัดลำปาง

พื้นที่ส่วนใหญ่ของจังหวัดสุโขทัยจะเป็นที่ราบลุ่ม ทางตอนเหนือและตอนใต้ของจังหวัดมีลักษณะเป็นที่ราบสูง มีเขาหลวงเป็นภูเขาที่มีความสูงที่สุด วัดจากระดับน้ำทะเลมีความสูงประมาณ 1,200 เมตร โดยมีแนวภูเขายาวเป็นพืดทางด้านทิศตะวันตก ส่วนพื้นที่ตอนกลางของจังหวัดจะเป็นที่ราบ มีแม่น้ำยมไหลผ่านจากทิศเหนือจรดทิศใต้ ผ่านอำเภอศรีสัชนาลัย อำเภอสวรรคโลก อำเภอศรีสำโรง อำเภอเมืองสุโขทัย และอำเภอกงไกรลาศ ช่วงที่ไหลผ่านจังหวัดสุโขทัยยาวประมาณ 170 กิโลเมตร จังหวัดสุโขทัยตั้งอยู่ทางภาคเหนือตอนล่าง ซึ่งลึกเข้ามาในแผ่นดิน จึงมีอุณหภูมิค่อนข้างสูง เกือบตลอดปี อุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปี 27.9 องศาเซลเซียส ในฤดูร้อนอากาศร้อนอบอ้าว อุณหภูมิสูงสุดเฉลี่ย 33.8 องศาเซลเซียส โดยมีอากาศร้อนที่สุดอยู่ในเดือนเมษายน ซึ่งเคยตรวจอุณหภูมิสูงที่สุดได้ 44.5 องศาเซลเซียส เมื่อวันที่ 11 พฤษภาคม 2559 ส่วนในฤดูหนาวอากาศมีอากาศหนาวเย็นโดยทั่วไป อุณหภูมิต่ำสุดเฉลี่ย 23.0 องศาเซลเซียส โดยมีอากาศหนาวที่สุดอยู่ในเดือนมกราคม ซึ่งเคยตรวจอุณหภูมิต่ำที่สุดได้ 5.5 องศาเซลเซียส เมื่อวันที่ 4 มกราคม 2517