Das Ortsgebiet Mölkau befindet sich im Osten von Leipzig. Im Norden grenzt es an die Ortsteile Paunsdorf und Engelsdorf, im Osten an Baalsdorf, im Süden an Holzhausen und Stötteritz, im Westen an Anger-Crottendorf. An dem kleinen Wasserlauf Rietzschke gelegen, erhält Mölkau seine landschaftliche Prägung von der im Osten Leipzigs typischen flachwelligen Ebene, die sich zwischen Parthe und Pleiße bis hin zu den Brandis-Naunhofer Wäldern erstreckt.