Город расположен у реки Южный Буг рядом с заповедником «Гранитно-степное побужье» в 153 километрах от устья реки.

Южноукраинск находится в степной зоне Украины, в северной части Николаевской области на левом берегу реки Южный Буг за 125 км от областного центра и на расстоянии 10 км от железнодорожной станции Южноукраинская. Рядом расположены большие промышленные города: Николаев, Одесса, Кировоград, Кривой Рог. В 100 км от города находится аэропорт и морской порт.

Расстояния до Николаева: физическое — ок. 114 км, по автодорогам — 120 км. Расстояния до Киева: физическое — ок. 284, по автодорогам — 370.