Maden Doğu Anadolu Bölgesinde, Doğu Torosların batı kesiminde, Yukarı Fırat bölümünde, Elazığ İli sınırlarında ve Dicle Nehri’nin yukarı kesimindedir. İlçenin doğusunda Ergani ve Dicle, batısında Sivrice ve Elazığ Merkez, güneyinde Ergani, Çermik ve Çüngüş, kuzeyinde Palu ve Alacakaya yer alır. Konum olarak yerküre içerisinde 39 ve 40. boylam; 38 ve 39. enlem noktaları arasındadır. İlçe merkezinin deniz seviyesinden yüksekliği 1054 m. olup, yüzölçümü 344 km²’dir. İlçenin bulunduğu yer vadidir. İlçe merkezi Mihrap dağının (1755 m.) yamacına kurulmuştur. İlçe, kara ikliminin hüküm sürdüğü bölgedir. Kışları karlı, yağmurlu, sisli, bulutlu; yazları da sıcak ve kurak geçer. İlçede hâkim rüzgâr yönü Kuzey-Batı’dır. Yıllık toplam yağış miktarı 718,1 mm’dir. İlçe merkezi ile diğer yerleşim bölgeleri arasında ciddi yükseklik ve iklim farkları vardır. İlçe merkezi Güneydoğu Anadolu Bölgesinin sert kış mevsimi koşulları daha yoğun hissedilmektedir ve ortalama sıcaklık değerlerinde farklılıklar bulunmaktadır. İlçe, bitki örtüsü bakımından oldukça fakirdir. 20. Yüzyılın başlarına kadar bakır cevheri odundan elde edilen ısı ile eritildiği için dağlarda ağaçlar acımasızca tüketilmiştir. İlçede yer yer Kaymakamlık koordinatörlüğünde gerçekleştirilen çeşitli ağaçlandırma sahaları bulunuyor ise de ilçe yüzölçümü ile kıyaslandığı zaman bu alanlar yetersiz kalmaktadır. Hazar Gölü çevresi, Dicle Nehri ve diğer akarsu ve dere kenarlarında kavak ve söğütlükler görülmektedir. İlçenin dağ ve tepeleri bahar yağmurları ile yeşillenen, yaz aylarında yağmurların kesilmesi ile kuruyan otlarla örtülüdür. Keyil Dağı (2052), Suvar Dağı (2046), Mihrap Dağı (1773), Rute Dağı (1824) ve Runik Dağı (1807) İlçenin belli başlı en yüksek dağlarıdır. Behramaz ve Gezin Ovaları İlçe sınırları içerisinde yer almaktadır. Dicle (Maden) Çayı, Seyhan Çayı, Sordar Çayı, Şepgen Çayı ve Pirnos Deresi İlçenin en önemli akarsularındandır. 85 km2 yüzölçümüne sahip olan Hazar Gölü’nün 5 km2’lik kısmı İlçe sınırları içerisinde kalmaktadır. Gölün derinliği 324 metre, denizden yüksekliği 1248 metre olup, toplam su hacmi 7 milyar m3’dür