Saint-Ouen-Marchefroy liegt etwa 44 Kilometer nördlich von Chartres und etwa 59 Kilometer westlich von Paris. Umgeben wird Saint-Ouen-Marchefroy von den Nachbargemeinden Le Mesnil-Simon im Norden, Tilly im Nordosten, Berchères-sur-Vesgre im Osten und Südosten, Rouvres im Süden und Südwesten sowie Oulins im Westen.