Длина Иловли составляет 358 км, а площадь водосборного бассейна — 9250 км²[2]. Средний расход воды у посёлка Иловля — 9,6 м³/с. Протекает по Саратовской и Волгоградской области, в общем направлении на юго-запад. Между началом декабря и концом марта замерзает, летом разбивается на отдельные плёсы. В древности между руслом Иловли у современного города Камышина и Волгой существовал волок из бассейна Волги в Дон. В XVI и XVIII веках делались попытки соединить русло Иловли каналом с Волгой.[3]
Иловля берёт исток на Приволжской возвышенности. Протекает по территории Красноармейского района Саратовской области, а также Камышинского, Ольховского и Иловлинского Волгоградской области. Кроме того, бассейн Иловли собирает сток с правобережья Волги, иногда подходя на несколько километров к руслу Волги. Кроме указанных выше районов, бассейн Иловли расположен также на территории Жирновского, Котовского, Фроловского и Дубовского районов Волгоградской области.
На Иловле расположен город Петров Вал. В 22 км от места впадения реки в Дон находится рабочий посёлок Иловля. Впадает в Дон слева на высоте 36 м над уровнем моря[4] в 604 км от устья Дона.
По данным государственного водного реестра России относится к Донскому бассейновому округу, водохозяйственный участок реки — Иловля, речной подбассейн реки — Дон между впадением Хопра и Северского Донца. Речной бассейн реки — Дон (российская часть бассейна)[2].