Wangen bei Olten liegt auf 417 m ü. M., 2,5 km westsüdwestlich des Bezirkshauptortes Olten (Luftlinie). Das Dorf erstreckt sich in der breiten Mulde der Dünnern am Jurasüdfuss zwischen dem Homberg im Norden und dem Born im Süden und schliesst westlich an Olten an. Die Fläche des 6,9 km² grossen Gemeindegebiets umfasst einen Abschnitt des so genannten Berggäus am Jurafuss. Der zentrale Teil des Gebietes wird von der Talebene der Dünnern eingenommen, die im Bereich von Wangen bei Olten etwas mehr als 1 km breit ist. In diese Ebene mündet der Dorfbach von Norden her aus dem Brändlistal mit einem kleinen Schwemmkegel. Nach Norden erstreckt sich der Gemeindeboden über die zunächst relativ sanft, im oberen Teil dann steil ansteigenden Hänge mit den Vorbergen Hügert westlich und Hochrüti (731 m ü. M.) östlich des Brändlistals und reicht bis auf den Homberg. Diese Bergkrete, die mit einer Felskante gegen Norden abfällt, bildet die Nordgrenze von Wangen bei Olten und erreicht mit 944 m ü. M. den höchsten Punkt der Gemeinde. Südlich des Dünnerntals reicht der Gemeindebann auf den dicht bewaldeten breiten Höhenrücken des Borns, der bei 719 m ü. M. gipfelt. Der Kammbereich des Borns gehört vollständig zu Wangen bei Olten, die Südgrenze verläuft auf der Kante vor dem Steilabfall gegen die Aare. Von der Gemeindefläche entfielen 1997 18 % auf Siedlungen, 54 % auf Wald und Gehölze und 28 % auf Landwirtschaft. Wangen besteht aus zwei Gebieten, die früher vor der Kanalisierung des Flusslaufs der Dünnern bei Hochwasser voneinander getrennt waren. Zum einen ist dies das Kleinwangen südlich der Dünnern mit einigen Einzelhöfen, zum anderen das Grosswangen nördlich der Dünnern. Nachbargemeinden von Wangen bei Olten sind Olten, Kappel (SO), Rickenbach (SO), Hauenstein-Ifenthal und Trimbach.