Die Gemeinde liegt südlich von Angers am rechten, dem nördlichen Ufer der Loire, deren Tal mit der Île aux Chevaux zum UNESCO-Welterbe und zum Weinbaugebiet Anjou gehört, und am östlichen Ufer der Maine, die hier in die Loire mündet. Auch der Authion mündet hier (im Osten der Gemeinde) in die Loire.
Umgeben wird Sainte-Gemmes-sur-Loire von den Nachbargemeinden Angers im Norden und Nordosten, Les Ponts-de-Cé im Osten und Nordosten, Mûrs-Erigné im Südosten, Saint-Jean-de-la-Croix im Süden, Denée im Südwesten sowie Bouchemaine im Westen und Nordwesten.