老头沟镇位于吉林省东南部，地处东经128度54分至129度48分，北纬42度21分至43度24分的长白山东麓，东南隔图们江与朝鲜相望，边境线长142.5公里；东北与延吉市、图们市接壤；西南与和龙市毗邻；西北与安图县相接。地形从边缘山地到中部盆地中心。