Село Дмитрівка розташоване на правому березі річки Оріль, вище за течією на відстані 3 км село Нова Семенівка, нижче за течією за 2,5 км — село Новоіванівка, на протилежному березі — село Мар'ївка. На південно-західній околиці села Балка Вовчий Яр впадає у річку Оріль.
12 червня2020 року, відповідно до розпорядження Кабінету Міністрів України № 725-р «Про визначення адміністративних центрів та затвердження територій територіальних громад Харківської області», Дмитрівська сільська радаПервомайського району об'єднана з Біляївською селищною громадою[1].