Der kleine Ort liegt direkt am linksseitigen Ufer der Elbe (deutscher Fluss-Kilometer 492) auf etwa 20 Metern über Normalnull. Während sich östlich, nördlich und nordwestlich die als Biosphärenreservat Niedersächsische Elbtalaue geschützte Elbe-Flusslandschaft ausdehnt, schließt sich im Süden ein großes Kiefernforstgebiet an, die so genannten „Gartower Tannen“. Dieser größte zusammenhängende deutsche Privatwald, der im Eigentum des Grafen Bernstorff zu Gartow steht, befindet sich auf einer ausgedehnten Flugsandanhöhe, die durch periglaziale Prozesse entstanden ist. Die gesamte Region bis zur Hügelkette des Drawehn im Westen liegt innerhalb des Elbe-Urstromtals.
Bundesweite und internationale Bekanntheit erlangte die Gemeinde Gorleben durch die Pläne für die Einrichtung eines nationalen Atommüll-Endlagers sowie die regelmäßig unter starken Protesten stattfindenden Atommülltransporte ins bereits bestehende oberirdische Zwischenlager im Wald südlich des Ortes. Die Gemeinde profitierte finanziell massiv von der Ansiedlung atomrechtlicher Einrichtungen und gehört zu den reichsten Gemeinden Niedersachsens. Unter der Bezeichnung Atommülllager Gorleben werden verschiedene Einrichtungen zur Zwischenlagerung, Weiterbehandlung und möglichen Endlagerung von hochradioaktivem Abfalls auf dem Gebiet der ostniedersächsischen Gemeinde Gorleben im Landkreis Lüchow-Dannenberg zusammengefasst. Hierzu gehört das Transportbehälterlager Gorleben (das Ziel der umstrittenen Atommüll-Transporte aus der französischen Wiederaufarbeitungsanlage La Hague) und das ebenfalls umstrittene Erkundungsbergwerk im Salzstock Gorleben, dessen geologische Eignung zur Endlagerung seit 1977 geprüft wird.
