Село Марье-Дмитровка находится на правом берегу безымянной пересыхающей речушки, которая через 7 км впадает в реку Саксагань, ниже по течению на расстоянии в 3 км расположено село Кринички, на противоположном берегу — село Зелёный Гай. На реке сделано несколько запруд. Через село проходит автомобильная дорога Т-0419.