Город расположен к северо-востоку от Москвы, в 23 км от центра и в 6—7 км от МКАД по Ярославскому шоссе.

Ярославское шоссе является западной границей Королёва (исключая Залинейный район). С юга к городу примыкает Национальный парк «Лосиный Остров», а с севера и востока — дачные посёлки. В городе протекает река Клязьма, а также много мелких рек (в части Лосиного Острова). Лесные массивы в черте города занимают территорию 3800 га[11]. Также в черте города находится часть урочища «Яузский водоболотный комплекс». Площадь, занимаемая городом, равна 55,44 км². Площадь городского округа — 55,47 км²[2].