Город расположен на побережье острова Сахалин, в 43 км от Южно-Сахалинска. Долинск находится в Сусунайской долине в месте слияния трёх рек — Долинки, Большого Такоя и Найбы (айнское название реки — Найбучи). Является районным центром Сахалинской области.