Желтокаменка — село в центре района, в степном Крыму, в одной из балок, впадающих с запада в озеро Сасык, высота над уровнем моря — 20 м[1]. Соседние сёла: примыкающее на северо-западе — Туннельное и в 3,5 км на юго-запад — Каменоломня. Расстояние до райцентра — около 30 километров, ближайшая железнодорожная станция — Евпатория в 12 км.