Donnemain-Saint-Mamès liegt etwa vier Kilometer nordöstlich vom Stadtzentrum von Châteaudun am linken Ufer des Flusses Conie. Umgeben wird Donnemain-Saint-Mamès von den Nachbargemeinden Saint-Christophe im Norden, Moléans im Norden und Osten, Jallans im Süden, Châteaudun im Süden und Südwesten sowie Marboué im Westen.