Das Naturschutzgebiet Brembacher Weinberge liegt im Landkreis Sömmerda in Thüringen. Es erstreckt sich nordwestlich, nördlich und nordöstlich von Kleinbrembach, einem Ortsteil der Landgemeinde Buttstädt. Südlich des Gebietes verläuft die Landesstraße L 1058, nordwestlich erstreckt sich der Speicher Orlishausen.