La commune de Voisins-le-Bretonneux se situe dans l’est des Yvelines, à 10 km environ au sud-ouest de Versailles et à 24 km au sud-ouest de Paris. Voisins-le-Bretonneux fait partie de l’agglomération de Saint-Quentin-en-Yvelines, ville d’art et d’histoire.
Le territoire communal occupe le bord sud d’un plateau situé entre 160 et 170 mètres d’altitude entre deux vallées encaissées, celle de la Bièvre au nord et celle de la Mérantaise (affluent de l’Yvette) au sud. Fortement urbanisé, à environ 90 %, ce territoire conserve une part de territoire rural sous forme de bois, dont une petite partie de la forêt domaniale de Port-Royal dans le sud-ouest de la commune.