Северодонецк расположен на западе Луганской народной республики на границе Донбасса и Слобожанщины. Город находится на равнине в центре долины Северского Донца, при впадении в него реки Боровой. Город расположен в степной зоне и стоит находится на песчаных дюнах и речных почвах. Местность в черте города и около него — равнинная с небольшими поднятиями. Вокруг Северодонецка растут пойменные леса на аллювиальных почвах, изрезанных многочисленными старицами Северского Донца (озёра Клешня, Кривенькое, и др.)