Montbrun-les-bains est situé à 15 km au sud-ouest de Séderon qui est le chef-lieu de canton, à 12 km au nord de Sault dans le Vaucluse et à 26 km au sud-est de Buis-les-Baronnies.
Les communes les plus proches sont Reilhanette, Aurel, Aulan, Barret-de-Lioure et Ferrassières.
Montbrun-les-bains est entouré de champs de lavande, situé à environ 600 mètres d'altitude au pied du Mont Ventoux. Le vieux village est construit sur une colline, à mi-hauteur se trouve un beffroi et un château Renaissance au sommet.
Le site est classé parmi les 100 plus beaux villages de France et est parsemé de nombreuses fontaines souvent potables.
Un peu en retrait se trouve une station thermale qui exploite une source d'eaux sulfurées déjà utilisée à l'époque romaine pour soulager les rhumatismes et soigner les voies respiratoires.
Le climat est méditerranéen sec et ensoleillé.





