Ternuay se trouve sur la D 486 entre Melisey et Servance, au nord-est de la Haute-Saône. La commune est traversée par l’Ognon. Ses deux hameaux Melay et Saint-Hilaire sont situés au nord-ouest du bourg.
Le village fait partie du Plateau des Mille Etangs et des Vosges saônoises.
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