อำเภอน้ำหนาว ตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือของจังหวัดเพชรบูรณ์ ห่างจากที่ตั้งจังหวัดเพชรบูรณ์ ระยะทางประมาณ 145 กิโลเมตร ตั้งอยู่บนที่ราบสูงบนทิวเขาเพชรบูรณ์ สูงจากระดับน้ำทะเลเฉลี่ยประมาณ 850 เมตร พื้นที่ส่วนใหญ่เป็นเขตอุทยานแห่งชาติน้ำหนาว เป็นพื้นที่รอยต่อระหว่างจังหวัดเพชรบูรณ์ จังหวัดเลย จังหวัดขอนแก่น และจังหวัดชัยภูมิ
อำเภอน้ำหนาวมีเนื้อที่ประกอบด้วยเขตป่าสงวนแห่งชาติและอุทยานแห่งชาติมีเนื้อที่ประมาณ 620 ตารางกิโลเมตรหรือประมาณ 378,500ไร่ พื้นที่ส่วนใหญ่เป็นป่าอุดมสมบูรณ์นอกจากนั้นเป็นที่ตั้งของหน่วยราชการ ตำบล หมู่บ้าน และพื้นที่ทางการเกษตร บางส่วนเป็นพื้นที่ป่าเสื่อมโทรม ที่ถูกบุกรุกเข้าทำกิน ประมาณการว่ามีเนื้อที่ไม่ต่ำกว่า 120,000 ไร่
- ทิศเหนือ ติดต่อกับ อำเภอหล่มเก่า จังหวัดเพชรบูรณ์ และอำเภอภูหลวง อำเภอวังสะพุง จังหวัดเลย
- ทิศตะวันออก ติดต่อกับ อำเภอภูกระดึง จังหวัดเลย และอำเภอภูผาม่าน จังหวัดขอนแก่น
- ทิศใต้ ติดต่อกับ อำเภอคอนสาร จังหวัดชัยภูมิ
- ทิศตะวันตก ติดต่อกับ อำเภอหล่มสัก และอำเภอหล่มเก่า จังหวัดเพชรบูรณ์
