İlçe İç Anadolu Bölgesinin Yukarı Kızılırmak bölümündedir. Yüzölçümü 3328 km2 olan ilçenin rakımı, ilçe merkezinde 1546 m.dir. Kayseri’ye 89 km. uzaklıkta olup, Kuzeyinde Sivas, Batısında Bünyan, Güneyinde Tomarza ve Sarız, Doğusunda Kangal ve Gürün bulunmaktadır. İlçenin merkezinden başlayarak, doğusu 2000 rakımına kadar çıkan Uzunyayla platosu ile kaplıdır.
İlçe merkezi genellikle düz alanda kurulmuş olmakla birlikte bağlı yerleşim yerleri genel olarak dağlık ve engebeli alanlarda bulunmaktadır. Dağlık ve engebeli olan ilçenin Güneydoğusunda Tahtalı sıradağları uzanır. Başlıca akarsuyu, Seyhan nehrinin bir kolu olan Zamantı Çayıdır. Zamantı, Şerefiye köyünün sınırlarında doğmakta, Tomarza sınırından geçerek Seyhan nehrine ulaşmaktadır.
Doğu Anadolu’nun ikliminin karakteri Pınarbaşı’da da hakimdir. Kışları soğuk, yazları kurak ve serindir. Yıllık yağış ortalaması metrekarede 492 kg.dır. İklim özellikleri ile değişken iklim yapısına sahip olduğundan özellikle tarım olumsuz yönde etkilenmektedir.