Con una extensión de 1,757.82 km2 (equivalente al 10% del territorio moqueguano) y una altitud de 5 m.s.n.m.; la provincia de Ilo limita por el norte con la provincia de Islay (Arequipa), por el este con la provincia de Mariscal Domingo Nieto (Moquegua), por el sur con la provincia de Jorge Basadre (Tacna) y, por el oeste con el Océano Pacífico.
Su clima está caracterizado por presentar dos subtipos: un clima de desierto sin lluvias y un clima de estepa que presenta ligeras garúas durante el invierno. La temperatura promedio anual es de 18ºC, siendo la máxima en febrero (26ºC) y la mínima en julio (14ºC).
La geología de la provincia se ha visto afectada a través del tiempo, de tal manera que en la actualidad, Ilo es una estrecha cadena costera caracterizada por la presencia de puntas como Punta de Coles, estrechas playas de roca y arena como Pozo de Lizas, y pampas de poca altitud que se elevan cerca del litoral.
Su superficie territorial presenta una topografía en la que se distinguen dos tipos de suelos: uno apto para tierras de protección y pastos, pero que se ve limitado por la falta de agua en la zona; y otro apto para el cultivo en limpio y permanente, pero que requiere de riego.
Entre los cultivos que destacan en el valle de Ilo, encontramos los antiguos olivares y viñedos, así como, los cultivos permanentes de melocotón, guayaba, entre otros.
Con tres distritos: Ilo, Pacocha y El Algarrobal; la provincia se halla articulada con el resto del país a través de la carretera Panamericana que une al país de norte a sur, la carretera Costanera Sur que conecta Ilo con Tacna, y la carretera Costanera Norte que une Ilo con la Punta de Bombón y los puertos de Matarani y Camana en Arequipa.
De otro lado, Ilo se une con los países vecinos de Bolivia y Brasil a través de la carretera Binacional que comprende la ruta Ilo-Moquegua-Torata-Santa Rosa-Masocruz-Desaguadero-La Paz; y la carretera Interoceánica que integra las ciudades de Ilo-Moquegua-Puno-Juliaca-Macusani-San Gabán-Puente Inambari-Iberia-Iñapari (frontera con Brasil).