La gare de Dijon-Ville est située au PK 314,208 de la ligne de Paris-Lyon à Marseille St Charles.
C'est une gare de bifurcation, centre d'une étoile ferroviaire avec les lignes de Dijon-Ville à Is sur Tille, de Dijon-Ville à Vallorbe (frontière) et de Dijon-Ville à St Amour.