Das Pfarrdorf Kleukheim liegt 4,7 km Luftlinie 137,9 ° südöstlich von Ebensfeld entfernt. Das Dorf befindet sich in einem Hügelland östlich vom Maintal. Der Ort ist in Ost-West-Richtung angeordnet und wird vom Kellbach, einem linken Zufluss des Mains, und dem Seitenarm Froschbach durchflossen. Die Staatsstraße von Ebensfeld nach Scheßlitz (Lkr. Bamberg) führt durch Kleukheim. Folgende Straßen führen in der Nähe von Kleukheim vorbei oder direkt dort hin: St 2187; LIF 11 und Gemeindeverbindungsstraßen.