Amphoe Nakhon Thai liegt im Osten der Provinz Phitsanulok und wird zu einem guten Teil vom Nationalpark Phu Hin Rong Kla bedeckt. Nakhon Thai liegt inmitten des Beckens des Mae Nam Nan (Nan-Fluss), der dem Mae Nam Chao Phraya (Chao-Phraya-Fluss) zufließt. Auch der Mae Nam Khwae Noi fließt durch die Amphoe, ebenso wie die kleineren Fia (Thai: ลำน้ำเฟี้ย) und Kaem (Thai: ลำน้ำแขม).
Nakhon Thai (Thai: เทศบาลตำบลนครไทย) besteht aus Teilen des Tambon Nakhon Thai,
Ban Yaeng (เทศบาลตำบลบ้านแยง) besteht aus Teilen des Tambon Ban Yaeng.
Außerdem gibt es neun „Tambon Administrative Organizations“ (TAO, องค์การบริหารส่วนตำบล – Verwaltungs-Organisationen) für die Tambon im Landkreis, die zu keiner Stadt gehören.