Çayırlı Erzincan'ın Kuzeydoğusunda yer alır. Yüzölçümü 1480 Kilometrekare, yüksekliği 1520 metredir.
Doğusunda Tercan ve Aşkale ilçeleri, batısında Erzincan Merkez İlçesi, Kuzeyinde Bayburt İli ve Otlukbeli İlçesi, Güneyinden Erzincan Merkez ve Tercan İlçesi ile komşudur. Parçalı, engebeli, çıplak bir arazi yapısına sahiptir.
Çevresinde Keşiş, (Esence), Sipikor ve Coşan dağları vardır. Balıklı Dorum ve Mans çayları ilçe hududunu çizen Karasu ırmağına dökülür. Çok geniş olamamakla birlikte sulu tarım yapılır. Ovalar ve geniş mer'a ve yaylaları vardır. Kışları çok soğuk ve uzun geçer, Yaz mevsimi kısadır.