Saint-Ursanne liegt auf 440 m ü. M., acht Kilometer südöstlich des Bezirkshauptorts Porrentruy (Luftlinie). Das historische Städtchen erstreckt sich im engen Tal des Doubs, am rechten Flussufer, zwischen den Juraketten des Lomont oder Mont Terri im Norden und des Clos du Doubs im Süden.

Die Fläche des 11,5 km² grossen, weitverzweigten ehemaligen Gemeindegebiets umfasst das zwischen den beiden genannten Juraketten tief eingeschnittene Doubstal im Bereich des grossen Bogens des Clos du Doubs. Der Talboden des Flusses ist meist nur 100 bis 200 m breit und von steilen, mehrheitlich bewaldeten Flanken umgeben, die mancherorts von Felsbändern durchzogen sind. Im Westen reichte das Gebiet talabwärts bis zur Siedlung Bellefontaine, im Süden an den Hang der Fin du Teck (bis 760 m ü. M.). Nach Norden erstreckte sich die Gemeindefläche bis auf die Passhöhe Sur la Croix (789 m ü. M.) auf der Lomontkette. Im Osten reichte Saint-Ursanne bis an den Hang der Mont-Russelin-Kette, an dem mit 860 m ü. M. der höchste Punkt der Gemeinde lag. Zu Saint-Ursanne gehörten auch zwei Exklaven: Die eine umfasste den Steilhang der Haute Côte rechts des Doubs südlich von Montmelon, die andere lag am Osthang des Chêtelat (bis 800 m ü. M.) links des Doubs. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 6 % auf Siedlungen, 72 % auf Wald und Gehölze, 19 % auf Landwirtschaft und ungefähr 3 % war unproduktives Land.

Zu Saint-Ursanne gehören zahlreiche Einzelhöfe. Nachbargemeinden waren Seleute, Ocourt, Montmelon, Asuel, Montenol, Saint-Brais und Epauvillers.
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