Wildeshausen liegt an der mittleren Hunte im Bereich des Geestdurchbruchtals der Cloppenburger Geest. Es grenzt im Südwesten an den Landkreis Vechta, während das restliche Stadtgebiet an verschiedene Gemeinden des Landkreises Oldenburg grenzt. Die Stadt ist sowohl von landwirtschaftlich intensiv genutzten Flächen als auch von Wäldern umgeben.
Wildeshausen ist Kreisstadt des Landkreises Oldenburg und Mittelzentrum der Region. Die nächstgelegenen Großstädte sind Oldenburg im Norden (ca. 30 km), Bremen im Nordosten (ca. 30 km) und Osnabrück im Süden (ca. 70 km). Wildeshausen gehört der Metropolregion Nordwest an.

Wildeshausen liegt an der Bahnstrecke Delmenhorst–Hesepe und hat einen Bahnhof mit Kreuzungsmöglichkeit, an dem sich zur vollen Stunde die Züge der NordWestBahn auf der Linie RB 58 (Der Bramscher) in Richtung Osnabrück und Richtung Bremen begegnen. Die Stadt ist über die Anschlussstellen Wildeshausen-Nord und -West an die A 1 angeschlossen. Die B 213 von Delmenhorst nach Cloppenburg umgeht den Stadtkern auf einer Neubautrasse. Über verschiedene Straßen ist die Kreisstadt mit den umliegenden Orten verbunden.