El municipio se encuentra situado «en la carretera general de Andalucía que cruza las llanuras de la Mancha» en el centro de la comunidad autónoma de Castilla-La Mancha y al sureste de la provincia de Toledo, de cuya capital dista 70 km por la Autovía de los Viñedos, y 117 km de Madrid por la Autovía del Sur. Limita al norte con los términos municipales de Turleque y Tembleque, al este con los de Villafranca de los Caballeros y Camuñas, al sur, con Villarrubia de los Ojos y Puerto Lápice, y al oeste, con Consuegra, formando parte de la comarca natural de La Mancha. El término municipal es de perímetro irregular, siendo su extensión de 26.213 hectáreas. Esta población presenta un relieve llano tan sólo alterado por las estribaciones de los Montes de Toledo -Sierra de Valdehierro- y los cerros y montes aislados como los de Carbonera (714 m), Larga (764 m), Juego de los Bolos (717 m), Cabalgador (933 m), Moral (699 m) o Basto (1.134 m), entre otros. La línea por la unión de los vértices geodésicos llamados ",Juego de los Bolos", y ",Carbonera", de una longitud de 14.662 metros, fue la primera para la medición de la altitud de España y Norte de África, creada en 1853. Cruza la población el Río Amarguillo de oeste a este, habiendo a sus lados fértiles vegas. El suelo de Madridejos es de naturaleza arcillosa y arenosa. Clima En general predominan veranos largos y rigurosos, propios de los climas continentales. Las temperaturas mínimas se suelen dar en enero, siguiendo las de diciembre, febrero y noviembre, las máximas absolutas en la segunda quincena de julio y durante el mes de agosto. Se caracteriza por la sequedad de la atmósfera durante dos tercios del año, registrándose la mayor humedad relativa entre los meses de noviembre a febrero, siendo mínima como en la mayor parte de La Mancha. El mes de más lluvias suele ser abril, con la lógica reserva. Recursos naturales Las Sierras de Valdehierro se encuentran a unos 15 km de la ciudad de Madridejos y se llega a ella por la carretera de las Sierras. Los madridejenses y los habitantes de la comarca se reúnen allí el 1 de mayo cuando son las Fiestas de Valdehierro, declaradas de interés cultural y de ocio. Estas sierras tienen una gran diversidad ecológica, en ella hay romero, lavanda, jazmín, pino, etc. A unos minutos de La explanada de las sierras se encuentran los arroyos, pequeñas cascadas y también manantiales como el de la Fuente del Umbrión. En las Sierras de Valdehierro se encuentra la Casa de la Naturaleza donde se hacen actividades lúdicas y donde hay un albergue para los visitantes. También se encuentra aquí la Ermita de Valdehierro en la zona de La Explanada.
