Kommunen är belägen i de nordvästra delarna av landskapet Södermanland, mellan de stora sjöarna Mälaren i norr och Hjälmaren i väster. Sjöarna sammanbinds av Eskilstunaån, som i sitt övre lopp kallas Hyndevadsström och i sitt lägre lopp omkring Torshälla kallas Torshällaån. Den historiska Rekarnebygden i nordvästra Södermanland motsvarar ungefär kommunens nuvarande gränser, och namnet Rekarne förekommer fortfarande i vissa lokala plats- och organisationsnamn. Eskilstuna kommun gränsar i öster till Strängnäs kommun, i söder till Flens kommun och i söder och sydväst till Katrineholms kommun, alla i Södermanlands län. I väster gränsar kommunen till Arboga kommun, i nordväst till Kungsörs kommun samt i norr till Köpings kommun, Hallstahammars kommun och Västerås kommun, alla i Västmanlands län