Oberndorf liegt etwa eine Stunde zu Fuß südwestlich von Apolda in einem Talgrund an dem Zusammenfluss zweier Bäche, der Werlitz, die bei Hammerstedt entspringt, durch Kapellendorf fließt und sich unterhalb Oberndorf mit dem Wiegenbach vereinigt, welcher von Wiegendorf herabkommt. Oberndorf liegt im Bereich des innerthüringer Ackerhügellandes. Darin gehörte das groß- räumliche Gebiet um Oberndorf auf der einen Seite zu Ilm-Saale und auf der anderen Seite zur Ohrdrufer Platte. Sie bildet die süd- östliche Kalktafelumrandung des innerthüringischen Keuperbeckens. Ihre Schichten fallen nach dem Beckeninneren schwach ein.  Sie ist überwiegend eine weitgespannte, fast ebene Hochfläche. 

Im agrarisch genutzten Teil des Ackerhügellandes  liegen vielfach Lößschleier und Lößdecken auf der Hochfläche, braune Waldsteppenböden bester Güte bildend (Weizen, Gerste, Zuckerrüben). Die natürlichen Waldgesellschaften der absonnigen Hänge sind Kalkbuchenwälder, die der Sonnenseite  sind Hainbuchenwälder.

Klimatisch gesehen befindet sich Oberndorf im Gebiet der vom Wind abgekehrten Seite von Harz und Thüringer Wald gelegenen mitteldeutschen Trockengebietes. Die Niederschlagsmenge liegt hier bei weniger als 540 mm Jahresniederschlag. Mit Jahresmitteltemperaturen zwischen 7,8 °C und 8,7 °C (Mittel Januar - 0,5 °C, Mittel Juli +17,5°C) ist dieses kontinental getönte Gebiet auch recht warm.