อุทยานแห่งชาติภูสระดอกบัว มีเนื้อที่อยู่บนแนวเขตรอยต่อของ 3 จังหวัด คือ อำเภอนิคมคำสร้อย อำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร อำเภอเลิงนกทา จังหวัดยโสธร อำเภอชานุมาน และอำเภอเสนางคนิคม จังหวัดอำนาจเจริญ มีเนื้อที่ประมาณ 144,375 ไร่ หรือ 231 ตารางกิโลเมตร สภาพภูมิประเทศทั่วไป คือเป็นเทือกเขาสลับซับซ้อน ทอดตัวเป็นแนวจากทิศตะวันตกเฉียงเหนือ ลงสู่ทิศตะวันออกเฉียงใต้ ประกอบด้วยป่าอันอุดมสมบูรณ์หลายชนิด พื้นที่หลายแห่งมีลานหินขนาดใหญ่ ชาวท้องถิ่นเรียกว่า “ดาน” กระจายอยู่ตามยอดเขาต่างๆ มียอดภูกระซะ เป็นยอดสูงสุดประมาณ 481 เมตร จากระดับน้ำทะเล โดยยอดอื่นมีความสูงโดยเฉลี่ยประมาณ 350 450 เมตร พื้นที่เหล่านี้ยังเป็นแหล่งกำเนิดของต้นน้ำหลายสาย เช่น ห้วยทม ห้วยกะบก ห้วยก้านเหลือง ห้วยลำกลาง ห้วยขี้เหล็ก ห้วยหินขัว ห้วยตูบ และห้วยไห เป็นต้น