İlçemiz ortalama 1400 metre rakımıyla, İç Anadolu Bölgesi’nin en yüksek ilçelerinden biri olarak bilinir. 2645 km²’lik yüzölçümüne sahiptir. İlçe topraklarının doğusunda Sivas merkez, batısında Yozgat’ın Akdağmadeni, kuzey batısında Tokat’ın Sulusaray ile Yeşilyurt ilçeleri, kuzeyinde Tokat, kuzey doğusunda Tokat'ın Almus ilçesi, güneyinde Sivas’ın Şarkışla ilçesi bulunmaktadır.

Yıldızeli Sivas il merkezine 47 km. uzaklıkta olup Sivas-Ankara ve Sivas-Tokat yolu üzerinde yer almaktadır. Aynı zamanda ilçede, Sivas-Samsun demiryolu ulaşım ağı da mevcuttur.

 

İç Anadolu Bölgesi’nin kuzeydoğusunda yer alan Yıldızeli, yüksek ve engebeli bir arazi yapısına sahiptir. Kuzeyi ve doğusu dağlıktır. Güneye doğru dağların alçalmasıyla geniş ve hafif engebeli araziler oluşmaktadır. Kuzeyi, doğusu ve orta kesimleri akarsularla yarılarak derin vadilerle parçalanmıştır. Topraklarının çoğu, 3. zamana ( tersier) ait rüsubi ( tortul ) arazilerdir. Bu zamanda meydana gelmiş organik kalker, kil, marn, gre, kum, mermer gibi çeşitli yapıyı arazide bulmak mümkündür. İlçenin ve Direkli Nahiyesi’nin bazı kısımlarındaki topraklar miosen tabakalarından oluşmuştur.

İlçenin batı kesimlerinde rakımın düşük olması nedeniyle bitki örtüsü zengin ve tarıma elverişli araziler de fazladır. Yıldızeli yerleşim itibariyle Çal Dağı’nın kuzeye bakan eteklerinde yer almaktadır.

 

Yıldızeli güneyde Çal Dağı, kuzeybatıda Çamlıbel dağları ile çevrilidir. İlçenin kuzeydoğusunda bulunan ve sönmüş volkanik dağı olan Yıldız Dağı, 2552 m yükseklikle önemli yükseltilerindendir. İlçenin diğer yükseltilerini Tura, Gürcü ve Akdağlar oluşturmaktadır.

Yıldızeli (Bedehdun) Ovası, Yıldızeli Çayı vadisinin genişleyen tabanında ve Sivas-Tokat karayolunun iki yanında uzanan bu ova pek geniş değildir. Ovanın ortasından geçen Yıldızeli Çayı’nın suları yazın azalır. Bu nedenle Yıldızeli Çayı’ndan, sulamada pek fazla yararlanılamaz. Bir ovadan çok, yüksek bir düzlük durumundaki bu tarım alanın sulanabilen yerlerinde şeker pancarı, mısır, ayçiçeği, patates gibi ürünler yetiştirilirken sulanamayan yerlerinde ise tahıl ürünleri yetiştirilmektedir.

 

İlçe topraklarından kaynağını alan sular, Kızılırmak ve Yeşilırmak aracılığıyla Karadeniz’e ulaşır. Yıldızeli Çayı (eski adı Kalın Irmağı veya Han Deresi) ile Yıldız Dağı’nın yamaçlarından doğan Yıldız Çayı (eski adı Cebirırmak), güneyde doğal sınır oluşturan Kızılırmak’a katılan başlıca akarsulardır.

Orta ve batı kesimlerinden kaynaklanan dereler, ilçe sınırları dışında Yeşilırmak’ın kollarından Çekerek Çayı’na katılır. Kümbet Deresi ise ilçenin diğer önemli akarsuyunu oluşturur.

İlçemiz 23 adet sulama göleti ile Sivas'ın en çok sulama göletine sahip olma özelliği taşımaktadır. Bunlar; Yusufoğlan, Altınoluk, Yakup, Arslandoğmuş, Demirözü, Kıldır, Karacaören, Aşağı Çakmak, Çağlar (Kurtboğazı), Navruz, İslim, Avcıpınar, Ilıca, Sarıçal, Kaman, Çağlayan, Topulyurt, Küçükhöyük (Etyemez), Halkaçayır, Kapıköy, Orta Çakmak, Kıvşak ve Cizözü göletidir.

 

Karasal iklim karakterine sahip olan ilçemizde, yağışlar sonbahar, kış ve ilkbahar aylarına rastlamaktadır. Yaz mevsimi kısa süreli olup, kışları sert ve soğuktur. Kışları sıcaklığın çok düşük olması nedeniyle kar bazen aylarca kalkmaz. Yağmur, genellikle ilkbahar ve sonbahar aylarında görülür.

İlkbaharda görülen yağışlar, öğleden sonra yağan kırkikindi yağışları şeklindedir. Yaz ve kış mevsimi arasında sıcaklık farkı fazla olduğu gibi, gece ve gündüz arasında da sıcaklık farklılıkları görülmektedir.