Üzümlü, Doğu Anadolu Bölgesi'nin Yukarı Fırat Bölümünde, Erzincan sınırları içerisinde yer alır.

İlçe arazisinin büyük bölümü (yüzde 80) Erzincan havzasının kuzeyinde uzanan Esence dağları (3549 m.) sahasinde, küçük bir bölümü (yüzde 20) ise Erzincan ovasında (1200 m.) bulunmaktadır. Üzümlü, kapladığı alan itibariyle Otlukbeli'den (254 km2.) sonra Erzincan'ın ikinci küçük ilçesi olup, yüzölçümü 410 km2. dir.

İlçenin Kuzey sınırı Erzincan Ovası ile Çayırlı ovası arasında su bölümü çizgisi oluşturan dağların zirvelerinden geçirilmiştir. Doğuda Sansa boğazının büyük bir bölümünü sınırları içerisine alan Üzümlü'nün güney sınırı genel olarak Karasu ırmağını takip eder. İlçeyi Erzincan Merkez İlçeden ayıran sınır güneyde Denizdamı köyü ile kuzeyde Esence dağlarının zirvelerinden biri durumundaki Dağınık dağı (3463 m.) arasında çekilen bir hatla belirlenmiş olup, her hangi bir doğal çevre unsuruna dayanmamaktadır.

Üzümlü İlçesi idari bakımdan Kuzeyde Çayırlı, doğuda Tercan, güneydoğuda Pülümür (Tunceli) güneyde ve batıda Erzincan Merkez ilçe ile komşudur.

Erzincan Ovasını batı-doğu doğrultusunda kat eden Uluslar arası E-80 Karayolu Üzümlü İlçesi topraklarından geçtikten sonra Sansa boğazına girer. İlçenin en büyük yerleşim ünitesi durumundaki Üzümlü şehri, E-80 Karayolunun yaklaşık 5 km. kuzeyinde kurulmuş olup, Erzincan İl merkezine uzaklığı 22 km. dir.

Üzümlü İlçesinin suları Karasu (Fırat) nehrinin kolları tarafından (Cimin deresi, Pağnik Çayı, Su deresi ve Değirmen deresi gibi) drene edilmektedir. Aygır gölü dışında doğal oluşumlu gölün bulunmadığı ilçe, kaynaklar ve yer altı suyu potansiyeli bakımından ise nispeten zengin sayılır. Üzümlü ve çevresinde Karasal iklim özellikleri görülmektedir. Ova tabanında stepler, dağlık kesimde ise meşe ağaçlarının ağırlıklı olduğu ormanlar hakim bitki örtüsünü oluşturur.

Üzümlü İlçesi, Ülkemizin depremsellik riski en yüksek yörelerinden biridir. Türkiye'nin Kuzeyini batı-doğu yönünde kat eden Kuzey Anadolu Fay Hattı (KAF) Suşehri havzasından sonra Erzincan Ovasına girmekte ve ovanın kuzey kenarı boyunca ilerlemek suretiyle Üzümlü'nün güneyindeki tepelik sahaya ulaşmaktadır. Muhtemelen birden fazla kırıktan meydana gelen bu fay, daha sonra güneydoğu istikametinde devam ederek Karlıova'ya (Bingöl) doğru uzanmaktadır. Birinci derece deprem bölgesi içerisinde yer alan Üzümlü İlçesi tarih boyunca Erzincan ile birlikte pek çok deprem yaşamıştır. Son 1000 yıllık yörenin yerleşme tarihi içerisinde 19'u yıkıcı olmak üzere 57 kadar büyük deprem meydana gelmiştir. Özellikle 1939 ve 1992 yıllarında meydana gelen depremler Üzümlü ve çevresindeki beşeri hayatı derinden etkilemiştir.