İlçemiz doğuda Diyarbakır ilinin Çüngüş ilçesi, kuzeyde Elazığ ilinin Sivrice ilçesi, güney ve batıda ise Pütürge ilçesi ile sınır komşusudur. 

ilçemiz bölgeye hakim engebeli bir arazi üzerine kurulmuş tipik bir Anadolu kasabası görünümündedir. ilçemizin güney ve doğu kesimleri dağlarla kaplıdır. Kuzey ve batısı ise tarıma elverişli arazi olarak kullanılmaktadır. 

 

Doğanyol’un en yüksek yeri Ulubaba dağıdır ve yüksekliği 2.116 metredir. ilçemizde Doğu Anadolu’nun karasal iklimi hüküm sürmekte olup, yazlar sicak ve kurak, kislar ise soğuk ve yağışlı geçmektedir.ilçemize en fazla yağış ilkbahar aylarında düşmektedir.ilçemizin dağlık bölgelerinde meşe, sulak yerlerde kavak, söğüt ve çınar ağaçları hakim bitki örtüsünü oluşturmaktadır. Kayısı ve dut ağaçlari en fazla göze çarpan meyve agaçlarıdır.   
ilçemizin yüz ölçümü 233 kilometrekaredir. Doğanyol, Malatya’ya 92 km olup, normal şartlarda yolculuk 1,5-2 saat sürmektedir.Kış aylarında zaman zaman ulaşımda güçlükler yaşanmakta ve hatta yol ulaşıma kapanabilmektedir.ilçemizi Malatya’ya bağlayan karayolu yoğun geçen kış sartları sonucunda her yıl bakım ve onarımı yapılmaktadır.