Située à l'extrême Sud-Est des Yvelines, limitrophe des départements de l'Essonne et d'Eure-et-Loir, Allainville est une commune rurale, au territoire plat et dénudé, caractéristique de la Beauce.

La commune est également composée d'hameaux qui renforce sa diversité et sa présence sur le territoire :
  • Hattonville,
  • Obville,
  • Érainville,
  • Groslieu,
  • Souplainville.
La commune est desservie par la route nationale N191 qui relie Rambouillet à Étampes (Essonne). Elle est traversée dans sa partie Est par l'autoroute A10 (Paris-Orléans) ce qui rend la commune facile d'accès par son échangeur avec l'A10.

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