Langendernbach liegt am Osthang des Westerwalds, rund 17 Kilometer nördlich der Kreisstadt Limburg an der Lahn. Naturräumlich wird Langendernbach noch dem Oberwesterwald zugeordnet, genauer dem Oberwesterwälder Kuppenland, befindet sich aber im Übergang zum hohen Westerwald. Der Ort wird von der in Nord-Süd-Richtung verlaufenden Bundesstraße 54 durchschnitten. Der Elbbach verläuft südwestlich des Orts, von Nordosten fließt der Dermesbach durch das bebaute Gebiet.

Die Gemarkung grenzt im Südosten in einem kurzen Abschnitt an den Waldbrunner Ortsteil Hausen, im Süden an den Elbtaler Ortsteil Elbgrund, darauf folgende im Südwesten in einem kurzen Abschnitt an den Dornburger Zentralort Frickhofen und im Westen an Wilsenroth. In ihrem nördlichen Verlauf ist die Gemarkungsgrenze zugleich Landesgrenze zu Rheinland-Pfalz. Im Nordwesten schließen sich Berzhahn, Gemünden und Seck an, im Nordosten Irmtraut und Neunkirchen.

Der Ort liegt am sanft ansteigenden Osthang des Elbbachtals, das an dieser Stelle durch das Tal des Dernbachs in Richtung Nordosten erweitert wird. Außer nach Südosten, in Fließrichtung des Elbbachs, steigt das Gelände rundherum an, insbesondere in Richtung der Dornburg. Höchste markante Erhebung auf Langendernbacher Gebiet ist der Kohlhack mit 409 Meter Höhe, nahe am östlichen Ortsrand. Der höchste Punkt der Gemarkung befindet sich mit 414 Metern allerdings östlich der Hohen Hahnscheid (433 üNN), deren Gipfel in Rheinland-Pfalz liegt. Das Dorf selbst erstreckt sich auf einer Höhe von 210 bis 280 Metern.

Neben dem Wald, der die östlichen und nördlichen Teile der Gemarkung bedeckt, wird das Gebiet um Langendernbach insbesondere von landwirtschaftlich genutzten Flächen und einer Tongrube nordwestlich des Orts geprägt.