Городской округ Иловайск расположен в 40 км. к северо-востоку от столицы Донецкой Народной Республики города Донецка.
Иловайск справедливо называют юго-восточными воротами Донбасса: через город проходит основная железнодорожная магистраль, связывающая Донецк - Москву. От главной магистрали в Иловайске также отходят линии: в северо-восточном направлении Торез и Дебальцево, а в западном и юго-западном - через Моспино на Макеевку и Донецк.