Dorgali è situata nella zona centro-orientale della Sardegna, sul versante occidentale del monte Bardia (882 m s.l.m.).
Il territorio comunale confina a sud con i comuni di Baunei, Urzulei ed Orgosolo, ad ovest con quello di Oliena, Nuoro, Orune, a nord con Lula, Galtellì ed Orosei, per affacciarsi ad est sul Golfo di Orosei.
A poco più di un'ora da Olbia, Dorgali deve parte della sua fama alla frazione di Cala Gonone, diventata oggi un vero proprio paese, che dista circa nove chilometri dal centro principale, e si trova a valle della galleria che consente di attraversare la catena calcarea sulla costa del Golfo di Orosei in corrispondenza della congiunzione, detta "Buca Entu", tra il Monte Bardia e il Monte Tului.