La commune de Mormoiron est située à quinze kilomètres à l'est de Carpentras. Juchée sur une colline, entourée de vignes, la commune occupe une place centrale au sein du Comtat Venaissin.

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Position géographique entre le mont Ventoux, Carpentras et Avignon, proche des gorges de la Nesque.

À 15 km de Carpentras et 35 km d'Avignon.

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Au sud du village passe la route départementale 942 qui relie Mazan à l'ouest à Villes-sur-Auzon à l'est. L'on accède au village depuis celle-ci par une route au tracé perpendiculaire, route dite de l'Embranchement.

L'autoroute le plus proche est l'autoroute A7 et la gare TGV celle d'Avignon.

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Dominé par le mont Ventoux, le village est installé sur le flanc ouest et sur le plateau d'un mamelon inaccessible à partir des autres versants.

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A voir aussi l'étang de Mormoiron, dit le plan d'eau des Salettes (retenue collinaire).