อำเภอหล่มสักตั้งอยู่ทางตอนเหนือของจังหวัด มีอาณาเขตติดต่อกับอำเภอข้างเคียง ดังนี้

• ทิศเหนือ ติดต่อกับอำเภอหล่มเก่าและอำเภอน้ำหนาว มีคลองสาธารณะกับแนวเขาภูขี้ไก่เป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศตะวันออก ติดต่อกับอำเภอน้ำหนาว และ อำเภอคอนสาร จังหวัดชัยภูมิ มีเทือกเขาเพชรบูรณ์เป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศใต้ ติดต่อกับอำเภอเมืองเพชรบูรณ์ มีคลองอมกงและคลองห้วยน้ำเดื่อเป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศตะวันตก ติดต่อกับอำเภอเขาค้อมีแนวเทือกเขาค้อเป็นเส้นแบ่งเขต