Il territorio comunale di Fossombrone, esteso 106 kmq circa, si trova nella bassa vallata del fiume Metauro, che dopo aver ricevuto le acque del fiume Candigliano a Calmazzo (si tratta dell'affluente più lungo che delimita il confine con il Comune di Fermignano), attraversa il territorio per circa 15 Km, per poi ricevere presso Ponte degli Alberi le acque del torrente Tarugo (nel tratto terminale delimita il confine con S. Ippolito).

Il paesaggio è caratterizzato da una serie di case coloniche dislocate presso le pianure e i terrazzi alluvionali collocati lungo i tre percorsi d'acqua, delimitati da colline impropriamente denominate monti (Monte Aguzzo, Monte Celso, Monte Raggio) e dalle Cesane (m. 648).

Le Cesane, foresta demaniale, si estendono per un'ampiezza di ben 2.500 ettari nei territori di Fossombrone, Isola del Piano ed Urbino. Alle pendici delle Cesane, in località San Lazzaro, ad appena 2 Km dalla città, il fascino della zona è accresciuto dallo spettacolo naturale delle marmitte dei giganti poste nella forra omonima, unico in tutta l'Italia centrale.

Le frazioni di Fossombrone sono S. Martino del Piano, Ghilardino, S. Lazzaro, Calmazzo, Montalto Tarugo, S. Martino dei Muri, Isola di Fano, Caspessa e Torricella.