Oloron-Sainte-Marie ligt aan de voet van de Pyreneeën, 32 km ten zuiden van Pau, 50 km van de Spaanse grens en 100 km van de Atlantische Oceaan.
De gemeente heeft een oppervlakte van 68,31 km2 (26,37 sq mi) en de gemiddelde hoogte bedraagt 787 m (2.582 ft); ter hoogte van het stadhuis bedraagt de hoogte 216 m (709 ft).
| Oloron-Sainte-Marie en zijn buurgemeenten |
|  |
Door Oloron-Sainte-Marie stroomt de Gave d'Oloron die wordt gevormd door de samenvloeiing van twee rivieren: de Gave d'Aspe en de Gave d'Ossau die samenvloeien tot de Gave d'Oloron. Het woord Gave is een naam die wordt gegeven aan rivieren in de bergen in regio's van de westelijke Pyreneeën.