Lukovska Banja nalazi se u istočnom podnožju Kopaonika, oko 35 km zapadno od Kuršumlije. Od sela Lukova udaljena je jedan kilometar. Leži u kotlinskom proširenju doline gornjeg toka Lukovske reke, desne pritoke Košanice, a pod vrhom Oštri krš, visine 1.317 m. Lukovska kotlinica uokvirena je visovima Medukamenom i Prolupnicom (1.238 m) na severnoj strani, Vrletnicom na zapadnoj i Gradištem na južnoj strain. Lukovska Banja sa 700 m je najviša banje Srbije.

Podneblje Banje je podplaninsko. Otpuštanje toplote izvora, koji zagrevaju prizemni sloj vazduha utiče na mikroklimu Banje. Sneg koji po okol­nim uzvišenjima napada i više od jednog metra, u Banji se otapa čim padne. Umesto snega zimi Banju pokrivaju magle. Mikroklima lecilišta je leti pri­jatna, sa uvek svežim i čistim vazduhom. Banja godišnje dobija oko 800 mm padavina, najviše u maju i junu, a najmanje u februaru i septembru. Jutar­nje i popodnevne kiše leti snižavaju temperature i održavaju sveže vreme.