Dieblich liegt am rechten Moselufer etwa 15 Kilometer von Koblenz und etwa 35 Kilometer von Cochem entfernt am Gleithang des Dieblicher Moselbogens. Nachbarorte sind moselaufwärts Niederfell und moselabwärts Lay, ein Stadtteil von Koblenz. Auf der anderen Moselseite liegt Kobern-Gondorf. An den Ortsteil Mariaroth grenzt die Gemeinde Waldesch.
Der Ortsteil Dieblich zieht sich über eine Länge von etwa 2 Kilometern am Moselufer entlang. Oberhalb auf dem von der Mosel umflossenen Berg liegt der Ortsteil Dieblich-Berg. Zur Gemeinde gehören weiterhin die Ortsteile Mariaroth und Naßheck, die geographisch bereits zum Hunsrück gehören.