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Coordonnées : 46° 50′ 07″ N 6° 37′ 14″ E
Fontaines-sur-Grandson se situe à 6 km au nord de la ville d'Yverdon-les-Bains (à vol d’oiseau).
Le village s'étend du pied sud du Jura, au nord de la vallée de l’Arnon à 563 m au dessus du niveau de la mer
La surface de la commune, 7.9 km², comprend une partie sur le flanc sud du Jura. Le sol de commune s'étend du pied du Jura depuis la vallée de l'Arnon au sud-ouest sur le plateau de Fontaines jusqu’à Champagne à l'est.
Au nord, le territoire atteint la crête longue et étroite de l’anticlinal de la chaîne de Chasseron. Elle touche ainsi la cuvette de La Calame et partiellement la hauteur des Cernets (qui, avec 1.475 m au-dessus du niveau de la mer, est le plus point le plus élevé de Fontaines-sur-Grandson).
Au nord-est, la surface de la commune touche la région forestière de Bois de la Vaux dans le bassin du Bied qui coule à Areuse. La frontière Nord court sur le Crêt de Lisières au-dessus de Buttes. Sur la chaîne de Chasseron se trouvent les hautes chaumes du Jura avec ses grands épicéas typiques soit isolés, soit en groupes.
En 1997 2% de la surface de commune était constituée de terrains bâtis, 49% de forêt et de taillis, 48% étaient réservés à l'agriculture et il y avait moins de 1% de terre improductive.
Les communes voisines de Fontaines-sur-Grandson sont Fiez, Bullet, Grandevent, Novalles, Giez, Champagne, Vaugondry, Villars-Burquin et Mauborget dans le canton de Vaud ainsi que Buttes et Fleurier dans le canton de Neuchâtel.