Fermanville est située sur la côte nord du Cotentin, à mi-chemin entre Cherbourg et Barfleur. Le territoire de la commune inclue et entoure le cap Lévi, qui ferme la rade de Cherbourg à l'est, et comprend 24,3 km de côtes.

L'habitat est dispersé en 24 hameaux de maisons de granite rose. La commune est traversée par le Poult, qui se jette dans la Manche entre l'anse de la Mondrée et celle de la Visière. La vallée du Poult est enjambée par un viaduc ferroviaire de 242 m de long utilisé jadis par un train appelé le tue-vaques. Sur le cap Lévi se trouvent deux ports : port du Cap Lévi et port Pignot ; le fort napoléonien du Cap Lévi ; le sémaphore du Cap Lévi ; et le phare du Cap Lévi de 28 m de haut.