สถานีของสายเฉลิมรัชมงคล ตั้งอยู่ใต้ถนนเจริญกรุง ตั้งแต่บริเวณแยกสามยอด (จุดตัดกับถนนมหาไชย) จนถึงแยกอุณากรรณ (จุดตัดกับถนนอุณากรรณ และถนนบูรพา) ส่วนสถานีของสายฉลองรัชธรรม ตั้งอยู่ใต้ถนนมหาไชย หน้าสวนรมณีนาถ[1] ในพื้นที่แขวงวังบูรพาภิรมย์และแขวงวัดราชบพิธ เขตพระนคร กรุงเทพมหานคร

สถานีสามยอดเป็นหนึ่งในสองสถานีรถไฟฟ้าใต้ดินสายเฉลิมรัชมงคล ที่มีเขตที่ตั้งอยู่ในอาณาบริเวณเกาะรัตนโกสินทร์ โดยตั้งอยู่ภายใต้บริเวณเกาะรัตนโกสินทร์รอบนอก (อีกสถานีหนึ่งคือ สถานีสนามไชย ที่ตั้งอยู่ในบริเวณเกาะรัตนโกสินทร์ชั้นใน) การก่อสร้างสถานีจึงได้รับการพิจารณาจากคณะกรรมการกรุงรัตนโกสินทร์อย่างหนักโดยเกรงว่าการก่อสร้างสถานีรถไฟฟ้าจะทำให้ทัศนียภาพของบริเวณเกาะรัตนโกสินทร์รอบนอกเปลี่ยนไป แต่ทั้งนี้การก่อสร้างสถานีดังกล่าว การรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนแห่งประเทศไทย ได้มีการระบุขอบเขตของงานเอาไว้ภายในสัญญาการก่อสร้างฉบับที่ 1 (โครงสร้างใต้ดินช่วงหัวลำโพง - สนามไชย) ว่าการก่อสร้างจะต้องเป็นการก่อสร้างแบบออกแบบแล้วดำเนินการก่อสร้าง โดยคำนึงถึงสถาปัตยกรรมของพื้นที่โดยรอบของสถานีเป็นหลัก

ในแผนงานเบื้องต้น สถานีนี้เคยใช้ชื่อว่า สถานีวังบูรพา เพื่อสื่อถึงย่านวังบูรพา อันเคยเป็นที่ตั้งของวังบูรพาภิรมย์ มาก่อน แต่เมื่อพิจารณาถึงที่ตั้งสถานีพบว่าตัวสถานีอยู่ไกลจากย่านวังบูรพาพอสมควร จึงมีการเปลี่ยนชื่อสถานีเป็น สถานีสามยอด ตามแยกสามยอดจะสามารถสื่อถึงได้ง่ายกว่า