Yesilirmak’in kolu olan Kelkit Çayi vadisinin 4 km. Kuzey kesimine Igdir Dagi’nin eteginde kurulmustur. Rakimi 850 metredir. Ilçenin yüzölçümü 946 km2 olup, dogusunda Susehri, kuzeyinde Ordu, Mesudiye, batisinda Tokat, resadiye, kuzeydogusunda Giresun, Sebinkarahisar, güneyinde Zara ve Dogansar ilçeleriyle komsudur. Cografi yapi olarak engebeli ve fazla egimli bir alanda kurulmus olan ilçede tarim arazisi yetersiz olup, genelde orman arazisi hakimdir. Yeryüzü sekilleri itibariyle, tipik Karadeniz Bölgesi özellikleri göstermektedir. Genelde kirik arazi derin vadilerle oyulmus durumdadir. Bu yüzden erozyon ve heyelan tehlikesi vardir. Yüzey sekillerinin bu özelliklerinden dolayi köylerin ilçe ile ulasiminda zorluk çekilmektedir. Iklim olarak Koyulhisar, Iç Anadolu ile Karadeniz Bölgesi arasinda sinir teskil ettiginden özellikle karadeniz iklimi hüküm sürmektedir. Sivas il merkezine oranla kislari daha kisa, iliman ve yagis daha fazla olup, havanin nem orani yüksektir. Iklim ve cografya açisindan Koyulhisar Sivas bölgesinin mesire yeri durumundadir.