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

• Phía tây bắc giáp tỉnh Bình Định
• Phía tây giáp tỉnh Gia Lai
• Phía tây nam giáp huyện Sơn Hòa
• Phía đông bắc giáp thị xã Sông Cầu
• Phía đông nam giáp huyện Tuy An.

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.

Đây cũng là địa phương có dự án Đường cao tốc Bình Định – Nha Trang đang được xây dựng đi qua.