Nằm ở phía Tây Bắc tỉnh Phú Yên, huyện Đồng Xuân tiếp giáp với địa bàn huyện Vân Canh, tỉnh Bình Định và các huyện Kông Chro, Ia Pa, Krông Pa, tỉnh Gia Lai. Toàn huyện có hơn 67.200 dân cư trú ở 10 xã và thị trấn La Hai, trong đó có hơn 16% đồng bào dân tộc thiểu số.