Frasne est situé au sud du département du Doubs (région Franche-Comté), non loin de la Suisse.

Le territoire de la commune de Frasne est entouré par ceux des communes de Bonnevaux, Bouverans, Dompierre-les-Tilleuls, Boujailles et Courvières (Doubs), ainsi que par celui de Bief-du-Fourg (Jura.).

Son territoire s'étend sur 3 287 hectares. Il est traversé par un ruisseau, appelé le Noirbief ou le Lotaud, qui est un affluent du Drugeon. Quelques étangs se rencontrent au sud-est du village : le grand étang (ou étang Carrez, du nom de son propriétaire), l'étang Lucien (communal), l'étang du Moulin (communal) ou encore l'étang Vanthier (privé).