Melisey est le chef-lieu de la Communauté de Communes des Mille Etangs et le bureau centralisateur du canton de Melisey.
La commune est située dans le département de la Haute-Saône en région Bourgogne-Franche-Comté, dans le Grand Est français.
Les villes les plus proches sont Lure (9 km) et Luxeuil-les-Bains (16 km).
La localité se trouve dans le pays des Vosges saônoises, en bordure du plateau des Mille étangs, territoire aux paysages variés. C’est l’une des 189 communes du parc naturel régional des Ballons des Vosges.
Son altitude varie de 322 mètres dans les plaines bordant le centre-ville à 470 mètres, soit un dénivelé de 148 mètres.
