เขตพญาไทตั้งอยู่ทางฝั่งพระนคร มีอาณาเขตติดต่อกับพื้นที่การปกครองต่าง ๆ เรียงตามเข็มนาฬิกาดังนี้

• ทิศเหนือ ติดต่อกับเขตบางซื่อและเขตจตุจักร มีคลองบางซื่อเป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศตะวันออก ติดต่อกับเขตดินแดง มีถนนวิภาวดีรังสิตฟากตะวันออกเป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศใต้ ติดต่อกับเขตดินแดงและเขตราชเทวี มีถนนดินแดงฟากใต้และคลองสามเสนเป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศตะวันตก ติดต่อกับเขตดุสิต มีทางรถไฟสายเหนือเป็นเส้นแบ่งเขต