Xã Đồng Bài nằm ở phía đông bắc của đảo Cát Hải và có vị trí quan trọng về kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng của huyện Cát Hải. Phía tây bắc giáp thị xã Quảng Yên, tỉnh Quảng Ninh; đông bắc và đông giáp xã Phù Long qua cửa sông Đồn (cửa Lạch Huyện); phía nam giáp thị trấn Cát Hải, xã Văn Phong; phía tây giáp xã Nghĩa Lộ. Xã Đồng Bài có diện tích 9.98 km², dân số năm 2020 là 1.596 người, mật độ dân số đạt 160 người/km². Xã được chia thành 3 thôn: Thôn Chấn, Thôn Trung và Thôn Đoài.