Село Мар'є-Дмитрівка знаходиться над річкою Балка Петина, яка через 7 км впадає в річку Саксагань, нижче за течією на відстані 3 км розташоване село Кринички, на протилежному березі — село Зелений Гай. На річці зроблено кілька загат. Через село проходить автомобільна дорога Т 0419.