Großbreitenbach liegt auf einer Hochfläche im Thüringer Schiefergebirge, nah der westlichen Nahtstelle zum Thüringer Wald. Die Stadt liegt in einer Höhe von 570 bis 660 m und zählt bereits zum Wassereinzugsgebiet der Schwarza. Nördlich von Großbreitenbach erhebt sich der Lange Berg, südöstlich liegt das Schwarzatal.
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