水洞底镇地处娄底市娄星区西南边陲，地面海拔标高109—223米，属丘陵地形，年降雨量1200—1300毫米，年平均气温16℃，常年主导风为东南风。

2017年2月14日，水洞底镇由涟源市划归娄底市娄星区管辖。