Xã Hoàng Khai nằm ở phía Tây Nam của huyện Yên Sơn với diện tích tự nhiên 1.199,82 ha; cách trung tâm huyện Yên Sơn 17,0 Km, cách trung tâm Thành Phố Tuyên Quang 7km. Địa giới hành chính được xác định như sau:
- Phía Bắc giáp Phường An Tường, Thành phố Tuyên Quang;
- Phía Nam giáp xã Nhữ Khê, huyện Yên Sơn;
- Phía Đông giáp Phường Đội Cấn, Thành phố Tuyên Quang;
- Phía Tây giáp xã Kim Phú, Thành phố Tuyên Quang;
Đến tháng 5 năm 2019, thực hiện Nghị quyết số 02/NQ-HĐND ngày 19/3/2019 của Hội đồng nhân dân tỉnh Tuyên Quang về việc sáp nhập thôn bản hiện tại xã có 12 thôn; 1.460 hộ; 5.999 nhân khẩu, xã có 13 dân tộc cùng sinh sống, trong đó: Dân tộc Kinh 3.817 người, chiếm 67%; Dân tộc Cao Lan 1.068 người, chiếm 19%; Dân tộc Tày 585 người, chiếm 10% và các Dân tộc khác chiếm 4%, trên địa bàn xã có 27 hộ nghèo, trong đó có 12 hộ đang hưởng bảo trợ xã hội chiếm 2%, 61 hộ cận nghèo chiếm tỷ lệ 4%.