Το Βελημάχι είναι ορεινός οικισμός από τους βορειότερους του νομού Αρκαδίας στα σύνορα με Αχαΐα και Ηλεία, 30 χλμ. ΒΔ των Τροπαίων και 131 χλμ. ΒΔ της Τρίπολης. Οικισμός του πρώην Καποδιστριακού δήμου Κοντοβάζαινας τώρα ανήκει στο δήμο Γορτυνίας με έδρα στη Δημητσάνα. Βρίσκεται στους πρόποδες της οροσειράς της Αναλήψεως, νοτιοδυτικά του Αφροδισίου όρους, σε υψόμετρο 860 μ. και αναπτύσσεται σε τρεις συνοικισμούς (Βελημάχι, Αποσκιά, Σούδελη) πάνω σε μία πλαγιά με έντονη κλίση και πυκνή βλάστηση, που διασχίζεται από χειμάρρους.
Η πρόσβαση στο χωριό γίνεται μέσω της επαρχιακής οδού Κοντοβάζαινας-Λαμπείας, που διασχίζει το Βελημάχι και την Αποσκιά, ενώ διέρχεται έξω από τη Σούδελη. Δρόμος με απότομες στροφές και κλίσεις ασφαλτοστρώθηκε μόλις το 1990 –παλαιότερα η πρόσβαση στον οικισμό με αυτοκίνητο ήταν δυσχερής.