Çemişgezek 38 derece 55 dakika doğu boylam ile 39 derece 04 dakika kuzey enleminde bulunmakta olup, 856 m yükseklikteki rakımdadır. (N39.08 E38.92)( 39 01N 038 54E)
Çemişgezek’ in yüzölçümü 877 km²'dir.

Doğusunda Hozat ve Pertek, güney ve güneybatısında Elazığ ve Keban Baraj Gölü, batısında ve kuzeyinde de Erzincan bulunan Çemişgezek, Fırat Havzası içerisinde yer alır.

Kuzeydeki Yılan (Kırklar) Dağı (2.950m) en önemli yükseltidir… İlçe engebeli bir arazi yapısına sahiptir.

Çemişgezek toprakları güneydeki Keban Baraj Gölüne doğru gidildikçe alçalır. Bu yapay gölün bir bölümü ilçe sınırları içinde kalır. Topraklarının bir kısmı Keban Baraj gölü altında kalmıştır. Keban Baraj Gölü'nün yapılmasından önce daha geniş bir alana sahip olan Çemişgezek'in 14 köyünün tamamen ve 12 köyünde kısmen su altında kalması ile en verimli toprakları Baraj gölü altında kalmıştır

Eskiden Karasu ve Murat ırmaklarına katılan akarsular günümüzde bu baraj gölüne dökülür… Bu akarsuyun vadi tabanı yer yer genişleyerek, yörede çok az rastlanan düzlükler oluşturur. Bir bölümü Keban Baraj Gölü altında kalmış olan bu düzlükler Pulur Ovası olarak adlandırılır. İlçe yüzölçümünün % 35'ini ekilebilir alanlar, % 2'sini ormanlar, % 63'ünü göl ve meralar kaplamaktadır..