Traversée par la Guéville, petite rivière née dans le parc du château de Rambouillet, Saint-Hilarion se situe dans le sud-ouest des Yvelines, en région Île-de-France, à la limite de l'Eure-et-Loir. La commune est à environ 10 km au sud-ouest de Rambouillet et à 40 km au sud-ouest de Versailles. La Guéville, affluent de la Drouette qu'elle rejoint à Épernon, suit en partie la limite avec Droué-sur-Drouette ; elle reçoit près du hameau de Saint-Antoine le ruisseau de la Mare Plate et alimente les pièces d'eau du parc du château de Voisins ainsi que l'étang de Saint-Hilarion, creusé en 1936. La D 906 relie la commune à Rambouillet et à Épernon, et la ligne Paris-Chartres traverse son territoire sans y marquer d'arrêt : les gares les plus proches sont celles de Gazeran et d'Épernon. Les lignes 24 et 89 du réseau de bus Centre et Sud Yvelines la desservent. Saint-Hilarion appartient à l'unité urbaine d'Épernon et reste tournée vers la grande culture, céréales et betteraves en tête. Pour un trottoir abîmé, un lampadaire en panne, des déchets abandonnés ou des espaces verts à entretenir, les habitants s'adressent à la mairie de Saint-Hilarion via Signaleo.

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