Xã Thần Sa nằm ở phía tây bắc huyện Võ Nhai, có vị trí địa lý:
- Phía đông giáp xã Sảng Mộc và xã Thượng Nung
- Phía tây giáp huyện Đồng Hỷ
- Phía nam giáp huyện Đồng Hỷ và các xã Cúc Đường, La Hiên
- Phía bắc giáp tỉnh Bắc Kạn.
Xã Thần Sa có diện tích 101,40 km², dân số năm 1999 là 2.244 người,[1] mật độ dân số đạt 22 người/km².