อยู่บนแนวเส้นทางรถไฟทางไกลสายตะวันออก ด้านทิศตะวันออกเฉียงใต้ของทางแยกต่างระดับศรีนครินทร์ (จุดบรรจบถนนศรีนครินทร์ ถนนพระราม 9 และถนนมอเตอร์เวย์) ห่างจากทางแยกพัฒนาการ (จุดบรรจบถนนศรีนครินทร์และถนนพัฒนาการ) มาทางทิศเหนือประมาณ 400 เมตร ในพื้นที่แขวงพัฒนาการ เขตสวนหลวง กรุงเทพมหานคร โดยสถานีรถไฟฟ้าแห่งนี้จะคร่อมคลองหัวหมาก ฝั่งตะวันออกของถนนศรีนครินทร์ ขณะที่สถานีรถไฟหัวหมากจะอยู่ฝั่งตะวันตกของถนน

สำหรับสถานีหัวหมากและสถานีรามคำแหงมีระยะห่างกันประมาณ 4 กิโลเมตร ส่วนสถานีหัวหมากถึงสถานีบ้านทับช้างมีระยะห่างกันประมาณ 5.7 กิโลเมตร