อุทยานแห่งชาติภูผาเหล็ก ตั้งอยู่ที่บ้านท่าวัด ตำบลปทุมวาปี อำเภอส่องดาว จังหวัดสกลนคร มีเนื้อที่ประมาณ 252,898 ไร่ หรือประมาณ 404 ตารางกิโลเมตร ครอบคลุมพื้นที่อำเภอส่องดาว อำเภอวาริชภูมิ อำเภอนิคมน้ำอูน อำเภอกุดบาก อำเภอภูพาน จังหวัดสกลนคร อำเภอวังสามหมอ จังหวัดอุดรธานี และอำเภอสมเด็จ อำเภอคำม่วง จังหวัดกาฬสินธุ์ ในพื้นที่ป่าสงวนแห่งชาติป่าดงพันนา ป่าดงพระเจ้า ป่าภูวง ป่ากุดไห ป่านาใน ป่าโนนอุดม ป่าบะยาว ป่าหัวนาคำ ป่าหนองหญ้าไชย และป่าแก้งกะอาม