İlçe arazisi Murat suyu civarındaki düzlükler ile güneydeki doğu toros silsilesini oluşturan Ak dağlardan meydana gelir.

İlçe topraklan 722 km.2 lik alana sahip olup bu yüzölçümünün % 62.9 dağlık % 24"ü dalgalı % 10 ‘u ova % 3’ ü de yayladır. Dalgalı ve dağlık arazi İlçe topraklarının % 86.9 gibi bir oranını oluşturmaktadır. Doğu toros silsilesi içinde bulunan Ak dağların en yüksek noktası 2500 metre rakımlıdır

İlçemizde kırık fay hattının çok olması nedeniyle 1 Derece deprem kuşağında yer almaktadır.

Murat Nehri İlçe topraklarının içinden geçmekte olup,vadisi genellikle dik ve sarptır.

Palu, karasal iklim bölgesinde olup, yıllık sıcaklık ortalaması 13 derece dolayındadır. Yağışlar genellikle İlkbahar ve Sonbahar aylarında görülür. Yıllık yağış miktarı 430 metreküptür. Keban baraj gölünün yapılmasından sonra Palu ve çevresinde iklim hissedilir derecede yumuşamıştır.

İlçemiz orman örtüsü bakımından zengin olmayıp sınırlarımız içerisinde 25.000 Hektarlık bozuk baltalık orman bulunmaktadır. İlçemiz doğuda; Bingöl ili, Genç İlçesi Güneyde; İlimiz, Arıcak ve Alacakaya İlçeleri Batıda ; Elazığ İl merkezi Kuzeyde Kovancılar İlçesi ile komşu olup İl merkezine uzaklığı 76 km. mesafede olan merkezi 850 metre rakımlı olan bir ilçedir.

25 MART 1977 yılında İlçemizde meydana gelen Orta şiddetteki deprem bazı can ve mal kaybına sebebiyet vermiş, halen de zaman zaman hafif şiddette depremler kaydedilmektedir.