Das Gemeindegebiet umfasst 638 ha und wird durch die Trave und die Brandsau begrenzt.
Groß Rönnau liegt etwa 4 km nördlich von Bad Segeberg in ländlicher Umgebung an der Trave. Westlich verläuft die Bundesstraße 404/Bundesautobahn 21 von Bad Segeberg nach Bad Oldesloe, südlich der Bundesstraße 206 von Bad Segeberg nach Lübeck.