Gudensberg liegt am äußersten Südostzipfel des Naturparks Habichtswald etwa 20 km südlich von Kassel und zehn Kilometer nordöstlich von Fritzlar (Entfernungen jeweils Luftlinie). Während die Kernstadt und der Ortsteil Maden vom Ems-Zufluss Goldbach durchflossen werden, liegen der südwestliche Stadtteil Dorla und der südliche Stadtteil Obervorschütz am Eder-Zufluss Ems.
Das Gemeindegebiet grenzt im Norden und Nordosten an die Gemeinde Edermünde, im Osten an Stadtteile von Felsberg, die im Bereich des Eder-Unterlaufs liegen. Südlich und südöstlich des Ems-Unterlaufs liegen weitere Teile von Felsberg. Im Süden, Südwesten und Westen liegen Stadtteile von Fritzlar. Im Nordwesten stößt der Ortsteil Gleichen an Niedenstein; in dieser Richtung erheben sich hinter dem Odenberg die Langenberge, die zum Naturpark Habichtswald gehören. Am nördlichen Rand der Langenberge gibt es zudem eine gemeinsame Grenze mit der Gemeinde Schauenburg.
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