Saint-Rémy-sur-Avre est une commune de 13,05 km2 située dans une vaste cuvette au sol calcaire, marécageux à l'origine du fait de la présence de limon argileux. La cuvette proprement dite est située entre 90 et 164 mètres d'altitude.

Comme son nom l'indique, cette commune est traversée par une rivière, l'Avre et son affluent la Pluche, dont la source est située à Laons et le point de confluence sur la commune. L'Avre est un affluent de l'Eure et donc un sous-affluent de la Seine.