Le village est situé au sud de Hauteville-Lompnes, à mi-distance à vol d’oiseau entre Tenay (au nord-ouest) et Pugieu (au sud-est).
La route D 103 qui traverse Prémillieu donne accès par le nord et par le sud à la Cluse des Hôpitaux.
Prémillieu est situé au sud-est de la France dans le département Ain et entouré des trois grandes villes : Ambérieu, Belley et Plateau d’Hauteville.
La commune de Prémillieu est composée de son bourg et du hameau de Tare situé à 6 kms du bourg, sa superficie est de 8.53 km² et elle est située à proximité des villages de Rossillon, Armix, Ordonnaz et La Burbanche.
L’accès à Prémillieu peut se faire soit par autoroute A42 / sortie Ambérieu En Bugey ou Saint-Martin du Fresne soit en train / gares de Tenay, Ambérieu ou Culoz soit en avion / aéroport de Saint-Exupéry (Lyon) ou de Genève.
