Kabupaten Blora berbatasan langsung dengan Provinsi Jawa Timur. Kabupaten ini berbatasan dengan kabupaten Rembang dan Kabupaten Pati. di utara, Kabupaten Tuban dan Kabupaten Bojonegoro (Jawa Timur) di sebelah timur, Kabupaten Ngawi (Jawa Timur) di selatan, serta Kabupaten Grobogan di barat.
Blok Cepu, daerah penghasil minyak bumi paling utama di Pulau Jawa, terdapat di bagian timur Kabupaten Blora.