Panemunių regioninis parkas apima Nemuno slėnio atkarpą žemupyje tarp Seredžiaus–Žemosios Panemunės ir Šilinės–Gelgaudiškio bei paslėnines Nemuno žemupio lygumų dalis: Karšuvos – dešinėje Nemuno upės pusėje ir Šešupės – kairėje. Upės vaga sudaro parko teritorijos ašį. Aukščiausia parko paviršiaus vieta 71 m virš jūros lygio yra ties Plokščiais, žemiausia 12 m virš jūros lygio Nemuno slėnyje ties Šiline. Parkas driekiasi abipus Nemuno vagos iš rytų į vakarus (34.3 km), o jo plotis įvairuoja nuo 1.5 iki 9 km. Administraciniu požiūriu Panemunių regioninio parko teritorija priklauso Tauragės apskrities Jurbarko rajonui (Skirsnemunės, Raudonės, Veliuonos ir Seredžiaus seniūnijoms), Marijampolės apskrities Šakių rajonui (Gelgaudiškio, Plokščių ir Kriūkų seniūnijoms) ir Kauno apskrities Kauno rajonui (Vilkijos seniūnijai).