Demirözü İlçesi 39-50 Kuzey enlem, 39-51 Doğu boylamda olup, Bayburt Merkez Gümüşhane (Köse-Kelkit) ve Erzincan (Çayırlı-Otlukbeli) İlleri ile çevrilidir. Doğu Karadeniz Bölgesinde yer almaktadır.

Rakım 1680 m.dir. Yüzölçümü 520 Km2 dir. İlçenin çevresi birbirine çok yakın tepeciklerden oluşmaktadır.

En yüksek tepeleri Otlukbeli tepesi (2485 mt.) ve Pulur Dağı (2185 mt.) dir. İlçede sıcaklığın düşük, yağışın az oluşu nedeniyle doğal örtü zengin değildir. Dağınık şekilde ağaç ve ağaçlıklar vardır. İlçenin yüksek olan yerlerinde ise doğal örtüyü çayır otları oluşturmaktadır.

İlçede Yakupabdal, Petekli, Elmalı, Kalecik, Serenli ve Kavaklı köyleri ile Gökçedere Beldesinde ormanlık alanlar bulunmakta ise de bu alanlar çok dar bir alanda ve yetersiz vaziyettedir. Yer altı kaynak suları bakımından da fakir olan İlçede Beşpınar (Lori) deresi ile Gökçedere (Pulur) deresi akarsu olarak bulunmaktadır.

İnşasına başlanan Demirözü Barajı bittiğinde İlçenin bitki örtüsünde ve ikliminde büyük değişikliklere sebep olacaktır.