Zillingdorf liegt am Ostrand des südlichen Wiener Beckens, einerseits in der von Südwest nach Nordost streichenden Leithamulde, einer Einsenkung zwischen dem Steinfeld und den östlichsten Ausläufern der Zentralalpen, andererseits inmitten der östlich parallel dazu anschließenden Wiener Neustädter Pforte, einer nach Südosten hin offenen Senke zwischen Rosalien- und Leithagebirge, die die Räume von Wiener Becken und Eisenstädter Bucht verbindet. Umgeben ist der Ort auf niederösterreichischem Gebiet von Lichtenwörth (Süden, Südwesten), Eggendorf (Westen, Nordwesten) und Ebenfurth (Norden), an der Grenze zum Burgenland von Neufeld (Norden), Steinbrunn (Osten), Zillingtal (Südosten) und Pöttsching (Süden).

Die Seehöhe von Zillingdorf wird im amtlichen Kartenwerk Österreichs offiziell mit 241 m angegeben. Das Bett der Leitha weist beim Eintritt nach Zillingdorf im Süden 245 m, beim Austritt gegen Ebenfurth und Neufeld 232 m Höhe auf. In Zillingdorf-Bergwerk liegen die Siedlung auf etwa 246 m, der höchste Punkt im Bereich der Abraumhalden des ehemaligen Lignitbergwerkes auf 278 m.