La commune de Chemillé-sur-Indrois se trouve dans le quadrant sud-est du département d'Indre-et-Loire, dans la région historique de Touraine. À vol d'oiseau, Chemillé-sur-Indrois se situe à 44,5 km au sud-est de Tours1, préfecture du département d'Indre-et-Loire, à 2,8 km à l'ouest de Montrésor (les deux communes étant limirophes, la distance retenue est celle séparant les chefs-lieux communaux)2, chef-lieu du canton auquel la commune est rattachée et à 13,4 km au nord-est de Loches3, une des deux sous-préfectures du département. Chemillé-sur-Indrois fait partie du bassin de vie de LochesInsee 1.
Chemillé-sur-Indrois est limitrophe de six autres communes, dont Genillé pour près d'un tiers de la longueur de ses limites communales.