อำเภอเมืองเพชรบูรณ์ตั้งอยู่ทางตอนกลางของจังหวัด มีอาณาเขตติดต่อกับอำเภอข้างเคียง ดังนี้
ทิศเหนือ ติดต่อกับอำเภอเขาค้อและอำเภอหล่มสัก ทิศตะวันออก ติดต่อกับอำเภอคอนสารและอำเภอหนองบัวแดง (จังหวัดชัยภูมิ) ทิศใต้ ติดต่อกับอำเภอหนองไผ่ ทิศตะวันตก ติดต่อกับอำเภอชนแดน อำเภอวังโป่ง และอำเภอเนินมะปราง (จังหวัดพิษณุโลก)