บริเวณห้าแยกลาดพร้าว (ปากทางลาดพร้าว) จุดบรรจบถนนลาดพร้าว, ถนนพหลโยธิน และถนนวิภาวดีรังสิต ในพื้นที่แขวงจตุจักร เขตจตุจักร กรุงเทพมหานคร

ที่ตั้งของสถานีพหลโยธิน เป็นพื้นที่ต่อเนื่องกันกับย่านพหลโยธินของการรถไฟแห่งประเทศไทย ซึ่งมีพื้นที่กว้างขวางตั้งแต่บริเวณบางซื่อจนถึงจตุจักร มีการประกอบธุรกิจหลากหลายรูปแบบ และเป็นศูนย์กลางการคมนาคมขนส่งที่สำคัญแห่งหนึ่งของประเทศ เพราะเป็นที่ตั้งของ สถานีขนส่งผู้โดยสารกรุงเทพ (จตุจักร) หรือหมอชิต 2 และสถานีรถไฟชุมทางบางซื่อ ที่อยู่ไม่ไกลจากสถานีพหลโยธิน ดังนั้นสถานีพหลโยธินจึงเป็นสถานีหนึ่งที่มีส่วนสำคัญต่อการพัฒนาพื้นที่ของการรถไฟแห่งประเทศไทยในอนาคต

สำหรับบริเวณห้าแยกลาดพร้าวซึ่งเป็นที่ตั้งของสถานีพหลโยธิน ก็เป็นจุดเชื่อมต่อการเดินทางที่สำคัญของกรุงเทพมหานครตอนเหนือ ในย่านถนนลาดพร้าว พหลโยธิน วิภาวดีรังสิต และรัชดาภิเษก (บริเวณแยกรัชโยธิน-รัชวิภา) โดยเป็นที่ตั้งอาคารสำนักงาน อาคารที่พักอาศัยอย่างหนาแน่น และมีสถานศึกษาที่สำคัญหลายแห่ง รวมทั้งมีศูนย์การค้าอยู่รายรอบ ประกอบด้วยศูนย์การค้าใหญ่หลายแห่ง เช่นเซ็นทรัลพลาซ่า ลาดพร้าว, ยูเนี่ยน มอลล์, เทสโก้ โลตัส และแหล่งค้าปลีกผู้ค้ารายย่อย เช่นตลาดนัดหลังการบินไทย ซึ่งในย่านดังกล่าวยังไม่มีระบบรถไฟฟ้าเข้าไปถึง แต่ในต้นปี 2559 รฟม. ได้เริ่มดำเนินการก่อสร้างโครงการรถไฟฟ้าบีทีเอสส่วนต่อขยาย (หมอชิต - สะพานใหม่ - คูคต) ซึ่งการรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนแห่งประเทศไทยเป็นผู้รับผิดชอบทั้งโครงการ จึงทำให้สถานีพหลโยธินมีผู้โดยสารใช้บริการเป็นจำนวนมาก และเป็นสถานีที่มีความสำคัญทางธุรกิจในพื้นที่โดยรอบ