Huyện Đồng Xuân nằm ở phía tây bắc của tỉnh Phú Yên, cách thành phố Tuy Hòa khoảng 45 km, có vị trí địa lý:

Huyện Đồng Xuân có diện tích tự nhiên là 1.065,08 km², là huyện có diện tích lớn nhất tỉnh Phú Yên. Dân số của huyện là 65.300 người, mật độ dân số đạt 61 người/km².

Địa hình Đồng Xuân tương đối phức tạp, thấp dần từ tây sang đông với nhiều dãy núi và ngọn núi cao như Chư Hrem(1.238 m) Rung Gia (1.108 m), La Hiên (1.020 m)...Trên địa bàn huyện có các con sông Kỳ Lộ, sông Cô, Trà Bương chảy qua và các suối nước khoáng nóng Trà Ô, Triêm Đức, Cây Vừng ở xã Phú Mỡ.