Die Gemeinde Castelnau-d’Arbieu liegt etwa 30 Kilometer nördlich von Auch. Im Westen wird das Gemeindegebiet vom Fluss Gers begrenzt. Umgeben wird Castelnau-d’Arbieu von den Nachbargemeinden Lectoure im Nordwesten und Norden, Magnas im Nordosten, Saint-Clar im Osten, Urdens im Süden, Fleurance im Südwesten sowie Pauilhac im Westen.