Castelplanio sorge sulla riva sinistra del fiume Esino, sulla parte meno elevata di una collina estesa da nord-est a sud-ovest, a circa 305 m s.l.m.; si trova a circa 45 km da Ancona, a 30 km da Fabriano e a 15 km da Jesi, il centro limitrofo più important Alcune delle sue frazioni, Macine, Borgo Loreto e Pozzetto, sorgono invece nel fondovalle, a circa 125 m s.l.m. a poca distanza del fiume e sono attraversate da torrentelli che vi confluiscono (fosso del Maltempo o di Rosora a Macine, fosso Costaccino e fosso delle Lame a Borgo Loreto, torrente Fossato a Pozzetto). Dal punto di vista geologico, la collina di Castelplanio è formata prevalentemente da arenaria del cenozoico, mentre il terreno pianeggiante presso il fiume, sedimentario, risale al periodo neozoico. Dal punto di vista urbanistico, il capoluogo Castelplanio gravita attorno al paese medievale, detto Castello anche se delle fortificazioni originali rimangono soltanto delle tracce. La via principale attraversa Castelplanio seguendo il crinale del colle, salendo a nord-est verso il comune di Poggio San Marcello e scendendo invece a sud-ovest con diversi tornanti verso il fondovalle, finendo per confluire a Macine con la provinciale 76. Tale strada, l'antica via Clementina fatta costruire da Papa Clemente XII, è anche l'asse sul quale Macine, Borgo Loreto e Pozzetto sono collocati. Piagge invece si trova su un colle più ad est, ed è collegato al fondovalle con alcune vie impervie e difficoltose.