İlçe, 254 km2'lik alana sahiptir. Kuzeyinde Bayburt ili (52 km) ve Demirözü ilçesi (40 km), doğusunda Aşkale (100 km) ve Tercan (67 km) ilçeleri, güneyinde Çayırlı ilçesi (37 km), batısında ise Demirözü ve Çayırlı ilçeleri ile çevrilmiştir.

Erzincan'a 148 km, Trabzon'a 240 km, Erzurum'a 158 km ve Gümüşhane'ye 140km'dir. 



İlçe içinden ulaşım, karayoluyla gerçekleşmektedir. Otlukbeli-Çayırlı ile Ağamçağam köyü yolu dışında tamamı asfalt kaplamalı olan yolu bulunmamaktadır.

İlçeye en yakın hava alanları, Erzurum ve Erzincan hava limanlarıdır.

İlçe merkezinin rakımı 1750 metre olup köylerinin yüksekliği 1700-1900 m arasındadır.

İlçenin kuzeydoğusundaki köyleri, daha yüksektir. İlçenin Bayburt ile olan sınırı Ağlovu ve Taşkınlı Tepeleriyle çevrilmiştir. Bu tepelerin güney yamaçları,ilçemiz sınırlan içindedir.

İlçe içinde önemli sayılabilecek akarsu olmayıp çok sayıda çay ve dere bulunmaktadır. Boğazlı köyünden Soğulcak Deresi ve Küçük Otlukbeli köyünden Tekesor Deresi birleşerek batıdan doğuya doğru akan Karakulak Çayım meydana getirirler. Karakulak Cayma daha sonra Ağamçağam Deresi, Umurlu Deresi ve Yeşilbük Deresi katılır.

Ufak derelerle beslenen Karakulak Çayı, Çayırlı ilçesi sınırları içinde Karasu Irmağı ile birleşir.

İKLİM:

İlçe, Erzincan'ın en yüksek ilçelerinden biri olduğundan karasal iklimin en etkin olduğu yöredir. Kışları oldukça uzun ve soğuk, yazları ılık geçmektedir.Dolayısıyla bu iklim ve arazi yapısıyla kayak sporuna elverişlidir.

En soğuk aylar Ocak ve Şubat, en sıcak aylar ise Temmuz ve Ağustos aylarıdır. Kasım aylarında başlayan kar yağışı yoğunlukla Şubat aylarında devam eder ve Nisan ayı sonlarında yerini ilkbahar yağmurlarına terk eder. Yağmur, genelde ilkbahar ve sonbahar ortalarında yağar.
İlkbaharda yeşererek dağ lalesinden sümbül, nergis, çoban yıldızı ve nilüferine kadar bin bir çiçekle süslenen yaylaları gezilip görülmeye, soğuk kaynak suları ve maden suları kaynağından içilmeye değerdir.

BİTKİ ÖRTÜSÜ:

İlçe çıplak bir arazi yapısına sahip olsa da otsu bitki örtüsüyle kaplıdır. Bu otsu bitki örtüsü step karakterindedir.

Bozkır niteliğinde olan bu bitki örtüsü, ilkbahar yağışlarında yeşerip çiçeklenir, gelişir; ancak yağışların azalmasıyla yazın kuruyarak sonbahar ayları ortalarındaki yağışlarla yeniden yeşermeye başlar.

İlçemizde doğal orman yok denecek kadar azdır. Toplam 3403 hektarlık alan (% 3) ormandır. Ördekhacı Köyü civarında ardıç, Yeşilbük köyü etrafındaki tepe ve yamaçlarda ise pelit, dağ kavağı ve meşe ağaçlarına rastlanır.