La commune de Tchornobaivka se trouve à distance à l'ouest de la rivière Oskil, principal affluent de la rivière Donets, dans le bassin hydrographique du fleuve Don. Assise à 159 mètres d'altitude, elle se situe à 16,7 km au nord-est de la commune de Kounie, à 37,5 km au nord de la ville d'Izioum et à 96 km au sud-est de la ville de Kharkiv.