Traversée d'est en ouest par le Manoire, petit affluent de l'Isle, Fossemagne est une commune rurale de l'est de la Dordogne, en région Nouvelle-Aquitaine, en limite du Périgord central et du Périgord noir. Le sud-est de son territoire s'étend dans la forêt Barade. Le bourg, traversé par la route départementale 6089, se trouve à sept kilomètres à l'ouest de Thenon et à seize kilomètres au nord-ouest de Montignac-Lascaux. La commune est limitrophe de six autres communes. Son sous-sol appartient au plateau de calcaires du Crétacé, et l'altitude varie de 173 mètres à l'ouest, là où le Manoire quitte la commune entre Milhac-d'Auberoche et Saint-Antoine-d'Auberoche, à environ 281 mètres à l'est, près du lieu-dit Fontjarisse. Les paysages relèvent du Périgord central, vallonné, aux horizons limités par des bois parsemés de prairies et de petits champs. Le territoire est également drainé par le ruisseau de Saint-Geyrac, qui prend sa source en forêt Barade. Chaussée abîmée, lampadaire en panne, dépôt sauvage ou entretien des espaces verts : les habitants signalent ces problèmes à la mairie de Fossemagne via Signaleo.

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