Иловлинский район расположен в междуречье рек Дон, Иловля и Волга, на Донской гряде в южной части Приволжской возвышенности. Административный центр — поселок Иловля.
Район имеет выгодное географическое расположение, так как находится на пересечении железнодорожных магистралей на Москву и Саратов, а также в 6 километрах от федеральной автотрассы Москва — Волгоград, которая пересекается с региональной трассой Иловля — Ольховка — Камышин. Климат континентальный с умеренно холодной, малоснежной, с частыми оттепелями зимой и жарким сухим летом.