Trimbach liegt auf 419 m ü. M., nördlich der Stadt Olten auf der linken Seite an der Aare am Jurasüdfuss. Der ursprüngliche Dorfkern, ein typisches Strassendorf, erstreckt sich in einem Seitental der Aare am Ausgangspunkt der Passstrasse des Unteren Hauensteins.

Die Fläche des 7.7 km² grossen Gemeindegebiets umfasst einen Abschnitt des Solothurner Juras und weist eine grosse landschaftliche Vielfalt auf. Der südöstliche Gemeindeteil und Hauptsiedlungsgebiet von Trimbach liegt in der rund 500 m breiten Talniederung des Dorfbachs. Diese Talsenke wird im Süden von der Chutzenflue (560 m ü. M.) und im Norden vom Stellichopf (667 m ü. M.) begrenzt. Sie öffnet sich nach Südosten zum Tal der Aare, welche zwischen dem Kantonsspital Olten und dem scharfen Flussbogen bei der Rankwog die Gemeindegrenze bildet.

Gegen Westen und Norden prägt ein stark reliefiertes und von zahlreichen markanten Felsformationen und Flühen überragtes Gelände das Gemeindegebiet. Der Faltenjura weist hier einen geologisch komplizierten Aufbau auf und ist in verschiedene Schuppen zerlegt. Die harten Kalksteinschichten bilden auffallende Berggrate, während die weicheren Mergel- und Tonschichten im Lauf der Zeit erodiert wurden und heute als Talweitungen in der Landschaft sichtbar sind. Besonders augenfällig ist der Berggrat, der sich vom Homberg über die Miserenflüe, den Hegiberg und die (Frohburger) Geissflue (813 m ü. M.) bis zur Burganlage der Frohburg hinzieht und den Talkessel von Rintel von der Mulde bei Trimbach trennt. Der Dorfbach hat zwischen den Miserenflühen und dem Hegiberg einen klusartigen Durchbruch geschaffen.

Die südliche Grenze verläuft im westlichen Gemeindeteil auf den Rumpelflühen (bis 640 m ü. M.), die nördliche auf dem Jurahauptkamm von der Wisnerhöchi (778 m ü. M.) nördlich am Erlimoos vorbei über die Waldhöhe beim Restaurant Frohburg (mit 866 m ü. M. der höchste Punkt von Trimbach) bis an den Südhang des Dottenbergs nahe dem Sendeturm Frohburg. Nach Westen reicht die Gemeindefläche mit einem schmalen Zipfel bis in den Graben, eine tiefe Schlucht unterhalb des Hauensteinpasses. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 20 % auf Siedlungen, 54 % auf Wald und Gehölze, 25 % auf Landwirtschaft und etwas mehr als 1 % war unproduktives Land.

Zu Trimbach gehören die Siedlung Rankwog (400 m ü. M.) am Aarebogen beim Südportal des Hauenstein-Basistunnels, der Weiler Düriberg (492 m ü. M.) am Südhang des Stellichopfs sowie verschiedene Einzelhöfe. Nachbargemeinden von Trimbach sind Wisen, Lostorf, Winznau, Olten, Wangen bei Olten und Hauenstein-Ifenthal