Словари
Ответы справочной службы
По правилам верно: филиал в г. Южно-Сахалинске. Подробнее см. в "Письмовнике".
Верен первый вариант.
Справочники
§ 125. Пишутся слитно: Названия со вторыми частями -город, -град, -дар, -бург, напр.: Звенигород, Белгород, Ивангород, Калининград, Волгоград, Краснодар, Екатеринбург (но: Китай-город). Названия с первыми частями Старо-, Верхне-, Нижне-, Средне-, Ближне-, Дальне-, а также Бело-, Красно-, Черно- и т. п., напр.: Старобельск, Верхнетуринск, Нижнеангарск, Дальнереченск, Белоостров (поселок), Красноуральск, Черноисточинск. Примечание Первая часть Ново- может ...
...Географические названия...
....: Северодвинск, Североморск, Северодонецк, Северобайкальск, Южноуральск; но: Южно-Курильск, Южно-Сахалинск, Северо-Курильск, Северо-Задонск; Южно-Сухокумск, Южно-Енисейский, Юго-Камский (поселки)....
