• Huyện Đồng Xuân nằm ở phía Tây Bắc của tỉnh Phú Yên, cách thành phố Tuy Hòa khoảng 50 km về phía Bắc.
• Tọa độ địa lý: từ khoảng 13°15’ đến 13°41’ vĩ Bắc và từ 108°40’ đến 109°10’ kinh Đông.
• Đồng Xuân giáp với các khu vực:
• Phía Bắc: giáp huyện Vân Canh (Bình Định).
• Phía Tây: giáp huyện Sông Hinh (Phú Yên).
• Phía Nam: giáp huyện Tây Hòa và thị xã Sông Cầu (Phú Yên).
• Phía Đông: giáp huyện Tuy An (Phú Yên).
• Đồng Xuân nằm trong vùng chuyển tiếp giữa dãy Trường Sơn phía Tây và đồng bằng ven biển phía Đông của Phú Yên. Địa hình của huyện chủ yếu là đồi núi thấp và trung bình, với độ cao trung bình từ 200–600 m so với mực nước biển, xen kẽ một số thung lũng nhỏ.
• Khu vực này thuộc rìa phía Đông của dãy Trường Sơn Nam, nên được xếp vào miền núi phía Tây của Phú Yên, cùng với các huyện như Sông Hinh, Sơn Hòa, và Tây Hòa.