La commune du Cerneux-Péquignot est située dans la partie nord-ouest du canton de Neuchâtel où son territoire s'étire en bordure de la France.

Elle touche à l'est la commune du Locle, au sud-est celle de La Chaux-du-Milieu et au sud celle de La Brévine. Du côté de la France, on trouve les communes de Montlebon et de Villers-le-Lac, la frontière franco-suisse cheminant en grande partie sur les hauteurs de chaînons boisés dont le plus élevé culmine à l'altitude de 1285 m.

L'altitude est de 1043 m au plus bas et de 1285 m au plus haut.

Selon l'Office fédéral de la statistique, Le Cerneux-Péquignot mesure 15,67 km². 2,9 % de cette superficie correspond à des surfaces d'habitat ou d'infrastructure, 55,0 % à des surfaces agricoles, 40,5 % à des surfaces boisées et 1,6 % à des surfaces improductives.