Mapa político de Martins, com os distritos e limites municipais.

Martins está localizado na mesorregião do Oeste Potiguar e microrregião de Umarizal, estado do Rio Grande do Norte, distante 380 km de Natal, capital estadual, e 2 007 km de Brasília, capital federal. Ocupa uma área territorial de 169,464 km² e se limita a norte com Viçosa e Umarizal; a sul com Antônio Martins e Serrinha dos Pintos; a leste com Lucrécia e Frutuoso Gomes e a oeste com Serrinha dos Pintos e Portalegre.

O relevo do município, com altitudes variando entre 400 e 800 metros, é constituído principalmente pelo Planalto da Borborema, formado por terrenos rochosos antigos provenientes do período Pré-Cambriano, com as serras de Bom Princípio, Macapá, Martins, Mundo Novo e dos Picos, bem como os serrotes Jacu e do Saquinho; além da Depressão Sertaneja, que compreende uma série de terrenos de menor altitude, de transição entre o Planalto da Borborema e a Chapada do Apodi. O ponto culminante de Martins é o Serrote Jacu, com altitude de 820 metros.[15] Martins está situado em área de abrangência de rochas metamórficas que formam o embasamento cristalino, formados entre 1 bilhão e 2,5 bilhões de anos, assim como das rochas da Formação Serra de Martins, com idade de aproximadamente sessenta milhões de anos, originárias da idade Terciária inferior

Os tipos de solos do município são o latossolo vermelho amarelo, em áreas de relevo plano, com textura de argila e pouca fertilidade; os luvissolos ou solos bruno não cálcicos, pedregoso e característico de áreas onduladas, com nível de fertilidade entre médio a alto e textura formada por areia ou argila; e os neossolos ou solos litólicos eutróficos, de baixa profundidade, presente em áreas com relevo ondulado ou fortemente ondulado, além de ser altamente fértil e apresentar textura média.

Situado na bacia hidrográfica do Rio Apodi/Mossoró, os principais riachos são Corredor, Comissário, Forquilha, dos Picos e Sampaio. Os maiores reservatórios, com capacidade igual ou superior a cem mil metros cúbicos de água (m³), são Serrinha dos Pintos ou Valter Magno (1 472 000 m³), Lajes ou Serra Nova (1 200 000 m³), Ribeiro (873 000 m³) e Alívio (800 000 m³).[14][16]

A formação vegetal mais comum é a caatinga hiperxerófila, de pequeno porte, sem folhas na estação seca. Entre as espécies mais encontradas estão o facheiro(Pilosocereus pachycladus), o faveleiro (Cnidoscolus quercifolius), a jurema-preta (Mimosa hostilis), o marmeleiro (Cydonia oblonga), o mufumbo (Combretum leprosum) e o xique-xique (Pilosocereus polygonus).