อุทยานแห่งชาติภูสระดอกบัว มีเนื้อที่อยู่บนแนวเขตรอยต่อ 3 จังหวัด คือ อำเภอนิคมคำสร้อย อำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร อำเภอเลิงนกทา จังหวัดยโสธร อำเภอชานุมาน และอำเภอเสนางคนิคม จังหวัดอำนาจเจริญ มีเนื้อที่ประมาณ 144,375 ไร่ หรือ 231 ตารางกิโลเมตร

ในอดีตประมาณปี พ.ศ. 2508 - 2525 พื้นที่ป่าอันอุดมสมบูรณ์แห่งนี้ เคยเป็นที่แทรกซึมของผู้ก่อการร้ายคอมมิวนิสต์ (ผกค.) นับได้ว่าเป็นขุมกำลังที่มีความสำคัญอีกแห่งหนึ่งของประเทศ จึงไม่มีราษฎรบุกรุกเข้าทำกินในพื้นที่ ในปี พ.ศ. 2525 เมื่อเหตุการณ์คลี่คลายลง ผกค. เข้ามอบตัวต่อทางราชการ ทางการจึงจัดสรรที่ดินทำกิน ให้กับราษฎรบริเวณบ้านน้อมเกล้า ตำบลบุงค้า อำเภอเลิงนกทา จังหวัดยโสธร และที่บ้านภูผาหอม ตำบลเหล่าหมี อำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร

จากนั้นปัญหาต่างๆ ด้านป่าไม้ก็ตามมาไม่ว่าจะเป็นการจับจอง บุกรุก แผ้วถางป่าการลักลอบตัดไม้ทำลายป่า ด้วยเกรงว่าปัญหาเหล่านี้จะลุกลามออกไป ในช่วงปี พ.ศ. 2525 ป่าไม้อำเภอดอนตาล ได้เสนอเรื่องต่อจังหวัดมุกดาหาร และป่าไม้อำเภอเลิงนกทา ได้รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับภูลำกลาง ภูสระดอกบัว และภูผาแต้ม เพื่อเสนอเรื่องต่อทางจังหวัดยโสธร ให้จัดเป็นแหล่งท่องเที่ยว จากเหตุผลความเหมาะสมนานับประการ ก่อประโยชน์ทั้งความมุ่งมั่นที่จะอนุรักษ์ผืนป่าแห่งนี้ไว้เป็นสมบัติของชาติ และอนุชนรุ่นหลังได้เป็นแหล่งศึกษาหาความรู้ ทั้งยังเป็นสถานที่พักผ่อนหย่อนใจของผู้คนโดยทั่วไป

กองอุทยานแห่งชาติ จึงทำการสำรวจอย่างจริงจัง ในปี พ.ศ. 2531 และเริ่มดำเนินการจัดตั้ง ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2532 เป็นต้นมา ซึ่งได้ประกาศให้เป็นอุทยานแห่งชาติโดยได้มีพระราชกฤษฏีกากำหนดที่ดินป่าดงบังอี่ แปลงที่สาม และป่าดงบังอี่ แปลงที่สี่ ในท้องที่ตำบลดงเย็น อำเภอเมืองมุกดาหาร ตำบลนาอุดม ตำบลนิคมคำสร้อย ตำบลโชคชัย อำเภอนิคมคำสร้อย และตำบลเหล่าหมี ตำบลป่าไร่ ตำบลบ้านบาก อำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร ป่าดงบังอี่ในท้องที่ตำบลกุดแห่ ตำบลบุ่งค้า อำเภอเลิงนกทา จังหวัดยโสธร ป่าดงบังอี่ฝั่งซ้ายห้วยทม ในท้องที่ตำบลคำเขื่อนแก้ว อำเภอชานุมาน จังหวัดอุบลราชธานี และป่าดงหัวกอง และป่าดงบังอี่ ในท้องที่ตำบลเสนางคนิคม ตำบลโพนทอง ตำบลหนองไฮ อำเภอเสนางคนิคม จังหวัดอุบลราชธานี ประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่ม 109 ตอนที่ 126 ลงวันที่ 30 ธันวาคม 2535 นับเป็นอุทยานแห่งชาติลำดับที่ 75 ของประเทศไทย

สภาพภูมิประเทศโดยทั่วไป เป็นเทือกเขาสลับซับซ้อน ทอดตัวเป็นแนวจากทิศตะวันตกเฉียงเหนือ ลงสู่ทิศตะวันออกเฉียงใต้ ประกอบด้วยป่าอันอุดมสมบูรณ์หลายชนิด พื้นที่หลายแห่งมีลานหินขนาดใหญ่ ชาวท้องถิ่นเรียกว่า “ดาน” กระจายอยู่ตามยอดเขาต่างๆ มียอดภูกระซะ เป็นยอดสูงสุดประมาณ 481 เมตร จากระดับน้ำทะเล ยอดอื่นมีความสูงโดยเฉลี่ยประมาณ 350-450 เมตร พื้นที่เหล่านี้ยังเป็นแหล่งกำเนิดของต้นน้ำหลายสาย เช่น ห้วยทม ห้วยกะบก ห้วยก้านเหลือง ห้วยลำกลาง ห้วยขี้เหล็ก ห้วยหินขัว ห้วยตูบ และห้วยไห เป็นต้น

สภาพอากาศแบ่งออกเป็น 3 ฤดูกาลคือ ฤดูฝน ระหว่างเดือนพฤษภาคม-ตุลาคม จะมีฝนตกชุกในเดือนสิงหาคม ฤดูหนาว ระหว่างเดือนพฤศจิกายน-มกราคม อุณหภูมิต่ำสุดในเดือนธันวาคม ฤดูร้อน ระหว่างเดือนกุมภาพันธ์-เมษายน

สภาพป่าส่วนใหญ่เป็นป่าเบญจพรรณ ป่าดิบแล้ง กระจายอยู่ตามเทือกเขาต่างๆ มีไม้มีค่าอยู่เป็นจำนวนมาก เช่น มะค่าโมง มะค่าแต้ ประดู่ ชิงชัน พยุง แดง ตะเคียนทอง ยาง กระบาก เป็นต้น บริเวณพื้นที่ป่าเหล่านี้มีสัตว์ป่าอยู่หลายชนิด โดยเฉพาะที่เทือกเขาภูสระดอกบัว ซึ่งเป็นพื้นที่ป่าขนาดใหญ่ และอุดมสมบูรณ์ไปด้วยแหล่งน้ำ สามารถพบสัตว์ป่าได้หลายชนิด เช่น เก้ง หมูป่า หมาไน สุนัขจิ้งจอก อีเห็น ลิง เม่น กระจง บ่าง ค้างคาว ไก่ฟ้าพญาลอ ไก่ฟ้าหลังขาว ไก่ป่า เป็นต้น

จากกรุงเทพฯ - ผ่านอำเภอเลิงนกทา จังหวัดยโสธร ไปยังอำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร ตามทางหลวงจังหวัดหมายเลข 2277 ระหว่างหลักกิโลเมตรที่ 24 - 25 เลี้ยวซ้ายประมาณ 1 กิโลเมตร ก็ถึงที่ทำการอุทยานแห่งชาติภูสระดอกบัว ซึ่งที่ทำการอุทยานแห่งชาติ จะตั้งอยู่บริเวณอ่างเก็บน้ำหินข้อ บ้านหนองเม็ก ตำบลป่าไร่ อำเภอดอนตาล จังหวัดมุกดาหาร อยู่ห่างจากจังหวัดมุกดาหาร ประมาณ 60 กิโลเมตร