Die Marktgemeinde Kilb liegt im flachwelligen Hügelland des Alpenvorlandes, im Süden des Bezirkes Melk. Der Markt hat eine Seehöhe von 296 m. Das Gemeindegebiet steigt im Süden auf zirka 700 m an. Der Ort ist durch die Muldenlage klimatisch begünstigt.
Kilb liegt an der Sierning, welche ab der Färbergasse in einem Tunnel unter der Straße fließt und erst wieder im Nordosten des Ortes (Beginn Hürmerstraße) an das Tageslicht tritt.