Saint-Martin-lès-Melle liegt etwa 45 Kilometer ostsüdöstlich von Niort. Umgeben wurde die Gemeinde Saint-Martin-lès-Melle von den Nachbargemeinden Celles-sur-Belle im Norden und Westen, Melle im Norden und Osten, Saint-Génard im Südosten, Mazières-sur-Béronne im Süden und Südwesten sowie Saint-Romans-lès-Melle im Westen und Südwesten.