Hauenstein-Ifenthal liegt etwa vier Kilometer (Luftlinie) nordwestlich der Stadt Olten. Das Gemeindegebiet erstreckt sich auf durchschnittlich 670 m ü. M. im Solothurner Kettenjura in aussichtsreicher Lage über eine Geländeterrasse auf der Südseite des Passübergangs Unterer Hauenstein. Es liegt zwischen der Belchenflue im Westen und der Ruine der Frohburg auf einem spitzen Felsen im Osten des Passübergangs. Die Fläche der 5,3 Quadratkilometer grossen Doppelgemeinde umfasst einen Abschnitt des stark zerfurchten Solothurner Kettenjuras, der hier verschiedene markante Felswände und Flühe aufweist.
Im westlichen Gemeindeteil befindet sich das Quellgebiet des Dorfbachs, der von mehreren aus den Hängen der Hornflue (967 m ü. M.; nördlicher Teil des Hombergs), der Challhöchi und des Ifleterbergs (mit 969 m ü. M. die höchste Erhebung von Hauenstein-Ifenthal) herabströmenden kleinen Bächen gespeist wird. Er durchfliesst zunächst das Ifental von West nach Ost und stürzt dann über mehrere Wasserfälle in den Graben, einen zu Trimbach gehörenden tiefen Taleinschnitt unterhalb von Hauenstein, um wenige Kilometer nach seinem Austritt aus dem Graben in den offenen Oltner Kessel in die Aare zu münden.

Der nordöstliche Gemeindeteil wird von einem Plateau bei Hauenstein eingenommen, an das im Osten die Abhänge des Lichtberges (bis 807 m ü. M.) anschliessen. Die nördliche Gemeindegrenze verläuft entlang der Challhöchi, des Ifleterbergs und des Unteren Hauensteins und deckt sich weitgehend mit der Wasserscheide, die entlang des Jurahauptkamms das Wassereinzugsgebiet der Aare im Süden von dem der Ergolz im Norden trennt. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 sechs Prozent auf Siedlungen, 42 % auf Wald und Gehölze, 51 % auf Landwirtschaft und etwas weniger als ein Prozent war unproduktives Land.