Nailloux liegt etwa 35 Kilometer südöstlich von Toulouse in der Landschaft Lauragais. Hier wird das Flüsschen Thésauque zum Lac de la Thésauque aufgestaut. Umgeben wird Nailloux von den Nachbargemeinden Ayguesvives im Norden, Montesquieu-Lauragais im Nordosten, Seyre im Osten, Montgeard im Süden und Südosten, Aignes im Westen und Südwesten sowie Saint-Léon im Nordwesten.