Das Dorf Keilhau liegt etwa sechs Kilometer westlich von Rudolstadt, unterhalb steiler Muschelkalkberge am Schaalbach in einem linken Seitental der mittleren Saale. Südlich und südöstlich des Dorfes erstreckt sich auf 143 Hektar das Naturschutzgebiet „Dissau und Steinberg“ aus dem sich im Südosten der Steinberg (473 Meter) findet. Südlich von Keilhau liegt die höchste Erhebung rund um Keilhau, die Geiersleite (517 Meter), während sich im Südwesten der Steiger (502 Meter) erhebt. Westlich von Keilhau ist der Kolmberg (481 Meter) und im Norden der Kirschberg (461 Meter). Über die Kreisstraße K118 in Richtung Osten gelangt man zum Nachbarort Eichfeld.