Möhrenbach liegt im Thüringer Wald. Das Gemeindegebiet lässt sich in drei Streifen unterteilen. Im Westen liegt der Thüringer Wald mit seinen Bergen, in der Mitte das breite Möhrenbacher Tal und im Osten der Lange Berg, welcher bereits dem Thüringer Schiefergebirge angehört. Im westlichen Teil der Gemeinde liegt das Tal der Wohlrose, über dem sich der 771 Meter hohe Silberberg erhebt. Östlich folgen die Täler von Möhrenbach und Ilmsenbach, die sich in Möhrenbach zum Talwasser vereinigen. Im zentralen Nord-Süd-Tal liegt das Dorf Möhrenbach in etwa 550 Metern Höhe. Die Landschaft ist hier von Wiesen, mit kleinen Wäldern durchsetzt, gekennzeichnet und steigt östlich erst wieder zum Langen Berg an, der mit 808 Metern der höchste Punkt der Gemeinde ist. In den Wäldern im Westen und Osten der Gemeinde dominiert die Fichte den Baumbestand. Im äußersten Süden der Gemeinde liegt die Hohe Tanne, der Pass zwischen Langem Berg und Thüringer Wald bzw. den Einzugsgebieten von Ilm und Saale. Der Nachbarort im Norden ist Gehren, im Süden hinter der Hohen Tanne liegt Großbreitenbach und im Osten jenseits des Langen Berges Gillersdorf.