Das Gebiet des ehemaligen Truppenübungsplatzes Oranienbaumer Heide befindet sich größtenteils im Landkreis Wittenberg, zwischen den Städten Dessau-Roßlau und Oranienbaum. Unmittelbar westlich grenzt die Ortschaft Sollnitz, südlich Möhlau und östlich Jüdenberg an. Die 2.024 ha große Naturerbefläche Oranienbaumer Heide liegt im UNESCO-Biosphärenreservat "Mittelelbe", Teilbereiche sind als Naturschutz- bzw. Landschaftsschutzgebiete unter Schutz gestellt sowie als NATURA 2000-Gebiete (FFH-Gebiet und Europäisches Vogelschutzgebiet) ausgewiesen.

Naturräumlich ist die Oranienbaumer Heide durch eine in Ost-West-Richtung durch das Gebiet verlaufende geologische Grenze zweier Großlandschaften geprägt. Der nördliche und zentrale Teil gehört zum "Oranienbaumer Talsandgebiet" des Elbe-Elster-Tieflandes und ist geprägt durch die Niederterrassen der Elbe und Mulde. In diesem Bereich stehen hauptsächlich Sande an, die in den Bereichen der Dünenaufwehungen in Feinsand übergehen. Die "Gräfenhainicher-Söllichauer-Platte" im südlichen Teil des Gebietes hingegen zählt zur Dahlen-Dübener Heide des nordsächsischen Heidelandes. In diesem, durch Grundmoränen und teilweise durch Reste eines Endmoränenzuges geprägten Bereich sind Bändersande mit einer Unterlagerung durch Geschiebemergel vertreten.