อุทยานแห่งชาติภูสระดอกบัว มีเนื้อที่อยู่บนแนวเขตรอยต่อ 3 จังหวัด คืออำเภอนิคมคำสร้อย อำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร อำเภอเลิงนกทา จังหวัดยโสธร อำเภอชานุมารและอำเภอเสนานิคม จังหวัดอุบลราชธานี มีเนื้อที่ประมาณ 232 ตารางกิโลเมตร หรือประมาณ 145,000 ไร่ ลักษณะภูมิประเทศ สภาพภูมิประเทศโดยทั่วไป เป็นเทือกเขาสลับซับซ้อน ทอดตัวเป็นแนวจากทิศตะวันตกเฉียงเหนือ ลงสู่ทิศตะวันออกเฉียงใต้ ประกอบด้วยป่าอันอุดมสมบูรณ์หลายชนิด พื้นที่หลายแห่งมีลานหินขนาดใหญ่ ชาวท้องถิ่นเรียกว่า “ดาน” กระจายอยู่ตามยอดเขาต่างๆ มียอดภูกระซะ เป็นยอดสูงสุดประมาณ 481 เมตร จากระดับน้ำทะเล ยอดอื่นมีความสูงโดยเฉลี่ยประมาณ 350 450 เมตร พื้นที่เหล่านี้ยังเป็นแหล่งกำเนิดของต้นน้ำหลายสาย เช่น ห้วยทม ห้วยกะบก ห้วยก้านเหลือง ห้วยลำกลาง ห้วยขี้เหล็ก ห้วยหินขัว ห้วยตูบ และห้วยไห เป็นต้น ลักษณะภูมิอากาศ สภาพอากาศแบ่งออกเป็น 3 ฤดูกาลคือ ฤดูฝน ระหว่างเดือนพฤษภาคม ตุลาคม จะมีฝนตกชุกในเดือนสิงหาคม ฤดูหนาว ระหว่างเดือนพฤศจิกายน มกราคม อุณหภูมิต่ำสุดในเดือนธันวาคม ฤดูร้อน ระหว่างเดือนกุมภาพันธ์ เมษายน พันธุ์ไม้และสัตว์ป่า ป่าส่วนใหญ่เป็นป่าเบญจพรรณ ป่าดิบแล้ง กระจายอยู่ตามเทือกเขาต่างๆ มีไม้มีค่า อยู่เป็นจำนวนมาก เช่น มะค่าโมง มะค่าแต้ ประดู่ ชิงชัน พยุง แดง ตะเคียนทอง ยาง กระบาก เป็นต้นบริเวณพื้นที่ป่าเหล่านี้มีสัตว์ป่าอยู่หลายชนิดโดยเฉพาะที่เทือกเขาภูสระดอกบัวซึ่งเป็นพื้นที่ป่าขนาดใหญ่และอุดมสมบูรณ์ไปด้วยแหล่งน้ำ เราสามารถพบสัตว์ป่าได้หลายชนิด เช่น เก้ง หมูป่า หมาไน สุนัขจิ้งจอก อีเห็น ลิง เม่น กระจง บ่าง ค้างคาว สัตว์ปีกประเภทต่างๆ ได้แก่ ไก่ฟ้าพญาลอ ไก่ฟ้าหลังขาว ไก่ป่า เป็นต้น