Thị xã Phú Mỹ nằm ở phía tây tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, có vị trí địa lý:

Phía đông giáp huyện Châu Đức và thành phố Bà Rịa
Phía tây giáp huyện Cần Giờ, Thành phố Hồ Chí Minh và huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai với ranh giới là sông Thị Vải
Phía nam giáp thành phố Vũng Tàu và vịnh Gành Rái
Phía bắc giáp huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai.