Das Naturschutzgebiet Gimmlitztal liegt in den Landkreisen Mittelsachsen und Sächsische Schweiz-Osterzgebirge in Sachsen. Es erstreckt sich westlich, südwestlich, südlich und südöstlich von Frauenstein entlang der Gimmlitz. Am nordwestlichen Rand des Gebietes verläuft die S 208 und liegt die Talsperre Lichtenberg, die B 171 durchschneidet das Gebiet. Östlich verläuft die S 184 und südlich die Staatsgrenze zu Tschechien.