Saint-Martin-du-Vieux-Bellême liegt zu Füßen des auf einem Hügel liegenden Städtchens Bellême, am Oberlauf des Flusses Même. Von Bellême aus gesehen hinter Saint-Martin beginnt der Bois-du-Bellême, eines der größten zusammenhängenden Waldgebiete in der Normandie. In Saint-Martin sind aus diesem Grund noch heute einige Sägewerke angesiedelt.
Geographisch rechnet man sich in dieser Region eher der Perche zu, womit der betreffende Landstrich gemeint ist. Die Gemeinde liegt im Regionalen Naturpark Perche.