อำเภอเมืองสกลนครตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ของจังหวัด มีอาณาเขตติดต่อกับเขตการปกครองข้างเคียงดังต่อไปนี้
- ทิศเหนือ ติดต่อกับอำเภอพรรณานิคม อำเภอนาหว้า (จังหวัดนครพนม) และอำเภอกุสุมาลย์
- ทิศตะวันออก ติดต่อกับอำเภอโพนนาแก้วและอำเภอโคกศรีสุพรรณ
- ทิศใต้ ติดต่อกับอำเภอเต่างอยและอำเภอภูพาน
- ทิศตะวันตก ติดต่อกับอำเภอกุดบากและอำเภอพรรณานิคม