Vibraye liegt 40 Kilometer östlich von Le Mans und 70 Kilometer südwestlich von Chartres auf einer Höhe zwischen 107 und 199 Metern. Durch den Ort fließt die Braye, ein Nebenfluss des Loir.
Die Autoroute A11 (= E 50) von Paris nach Le Mans verläuft nördlich in 11 km Entfernung; die Autoroute A28 (= E 502) von Le Mans nach Tours verläuft westlich in 33 km Entfernung.