Новотроїцьк розташований на правому березі річки Урал, за 276 км від Оренбурга, на кордоні з Казахстаном. На сході Новотроїцьк практично межує з Орськом: відстань між містами 14 км.
Засноване як промисловий центр, місто розташоване в українському історичному регіоні Оренбуржчині, який часто зараховують до східних окраїн Жовтого Клину. Перше поселення на місці сучасного міста — хутір Новотроїцьк заснований вихідцями з України на початку 20 століття під час масового заселення південноуральських степів українцями.