Nevşehir ilinin güneyinde yer alan Derinkuyu ilçesi'nin güneyinde Niğde; doğusunda Kayseri, Yeşilhisar; kuzeydoğusunda Ürgüp; kuzeybatısında Acıgöl; kuzeyinde Nevşehir; batısında Aksaray ili bulunmaktadır.

Niğde-Nevşehir karayolu üzerinde bulunan İlçe Nevşehir'e 30 km, Niğde'ye 50 km, Kayseri'ye 110 km, Aksaray'a 80 km uzaklıkta ve bu illerin tümüne ilçenin direk karayolu bağlantısı bulunmaktadır.

İlçenin yüzölçümü 445 km², rakımı 1.300 metredir.

İlçe; Erciyes, Hasan Dağı ve Melendiz Dağları arasında volkanik çanak şeklinde bulunan Misli ovasının içinde yer alır. Toprak kumlu olup, volkanik faaliyetlerin sona ermesi, yağmur ve rüzgar ile erozyon etkisi oldukça kuvvetlidir. Arazi genellikle düz olup, ormanlık alan bulunmamaktadır.

Akarsu ve gölü olmayan ilçede geniş yeraltı su kaynakları mevcuttur.

Bitki örtüsü, ilkbahar yağışları ile yeşeren yaz ortalarında kuruyan, cılız otlardan oluşan bozkırdır (step).

Türkiyenin en ilginç koruluk ve sanatsal parklarindan biri ve belki de birincisi olan atamulu parkı da buradadir. Devasa bir ata heykeli bulunmaktadır. Turizm gelişmektedir, tarım en önemli geçim kaynağıdır.