L'arrondissement de Saint-Dizier occupe 25 % de la superficie du département de la Haute-Marne, dans sa partie Nord. Cet espace est frontalier des départements de l'Aube à l'Ouest, de la Marne au Nord et de la Meuse à l'Est.

Il est constitué essentiellement par les vallées de la Marne et de la Blaise et les plateaux du Barrois qui s'étendent de part et d'autre de ces deux cours d'eau.

Le point culminant est à 427 m à l'Est et s'abaisse jusqu'à 123 m à Montier-en-Der à l'Ouest. Le bassin de la Marne débouche dans une dépression constituée par le Der, couvert de forêts, et le Perthois, couvert de cultures céréalières et d'herbages.

A l'Ouest, le Lac du Der-Chantecoq, agrandi pour réguler le débit de la Seine, est le plus grand lac artificiel de France.