Riacho de Santana localiza-se na Região Sudoeste da Bahia, na Microrregião de Guanambi e na Mesorregião do Centro-Sul Baiano. Está a 720 km de Salvador, capital baiana. Limita-se ao norte com o município de Macaúbas, ao sul com Palmas de Monte Alto, a oeste com Bom Jesus da Lapa e a leste com Igaporã e Matina. Está a 627 metros acima do nível do mar, chegando até 1200 metros de altitude na região da Serra Geral. Possui as seguintes coordenadas geográficas: 13º36'32" de Latitude Sul e 42º56'20" de Longitude Oeste.
A vegetação predominante é a caatinga, tendo também uma parte de Floresta Estacional Decidual, que é uma mistura de espécies da caatinga com árvores de mata tropical.
O clima característico é o semi-árido, variando de subúmido a seco. Possui elevadas temperaturas durante o ano todo. Entre os meses de junho e agosto são registradas as menores temperaturas, com dias quentes, passando dos 30 °C e madrugadas frias com média de 15 °C. O período de chuva está compreendido entre os meses de outubro a março.
A hidrografia do município é muito rica, principalmente na Região da Serra Geral. São mais de 70 nascentes catalogadas pelo Grupo Zabelê (Grupo de estudos do município, cuja linha de pesquisa é voltada para a proteção e conservação do meio ambiente local), dando origem a vários rios. Pouco mais de 25 cachoeiras também já foram catalogadas, algumas possuem mais de 80 metros de queda d'água, dando um espetáculo de beleza e exuberância. Os principais rios genuinamente riachenses são os Rios Santana e Boqueirão, ambos nascem na Serra Geral. As principais barragens são as da Santana (com capacidade de armazenamento de aproximadamente três milhões de metros cúbicos) e a do Giral, além de outras como a barragem do Pau Preto, da Mata, Santaninha etc. Vale ressaltar que a Bacia Hidrográfica do São Francisco também banha o município.