三元区位于市区西南部，地处北纬26°5′，东经117°5′。东与梅列区相连，西与永安市毗连，南与大田县交界，北与明溪县接壤。全区地势西北高，东南低。闽江源流沙溪河贯穿境内，城区南傍205国道、212省道，北依鹰厦铁路、泉三高速公路，是闽西北重要的交通枢纽。