Doğanşehir Malatya'nın güneybatı yönüne düşer, doğusunda ve güneyinde Adıyaman'ın Çelikhan İlçesi, batısında K.maraş'ın Elbistan İlçesi, kuzeyinde Malatya'ya bağlıolan Akçadağ İlçesi ve Kuzeydoğusun' da Malatya'ya bağlı Yeşilyurt İlçesi bulunmaktadır. 38-06 Doğu Meridyeni, 37-52 Kuzey Paralelleri üzerinde toplam 1290 km yer kaplamaktadır. Deniz seviyesinden yüksekliği 1252 m. yüksekliktedir
Doğusunda Kazıyan ve Kurudağ 2100 m batısında Nurhak 2600 m Kurudan 2350 m güneyinde Atoğlu Dağları vardır.
İlçede Sürgü Çayı, Büyük Kurtluca Çayı, Polat Deresi, Erkenek Deresi, Tobük Çayı ve Sancar Çayı yörenin akarsularıdır. Polat ve Sürgü Barajları ve Suçatı Regületörü sulama amaçlıdır.
Doğanşehir'in Sürgü, Polat ve Erkenek Ovalarında hemen hemen her türlü tarım yapılmaktadır.

Karasal iklimin hüküm sürdüğü Doğanşehir'de yazlar sıcak ve kurak, kışlar soğuk ve kar yağışlı geçer. İlçede en düşük sıcaklık -26 C en yüksek sıcaklık ise +38 C derece olarak görülmüştür. Metrekareye düşen yağış miktarı 450 kg'dır.

İlçede elverişli tarım arazisi 15.977 hkt.Ormanlık alan 13.282 hkt., tarıma elverişli olmayan alan ise 89.741 hkt.dır. Ormanlık alan Kapıdere, Suçatı ve Eskiköy civarındadır. İlçenin değişik yörelerinde meşe, söğüt, kavak bol miktarda meyve ağacı olarak kaysı, bulunmaktadır. Son yıllarda alternatif tarım ürünü olarak bol miktarda elma ağacı dikilmiştir. Ayrıca çilek üretimi de hızlandırılmıştır.
I.derece deprem kuşağında olan ilçe en son 1986 yılında, 5,6 şiddetinde deprem yaşamıştır. Müteakip zamanlarda ise deprem kuşağı üzerinde bulunan ilçe maddi ve manevi zararlara uğramıştır.