Kiçik Qafqazın orta və yüksək dağlıq qurşaqlarında yerləşir. Ərazisi Şahdağ silsiləsinin şimal yamacını, Başkənd-Dəstəfur çökəkliyinin və Şəmkir dağ massivinin bir hissəsini əhatə edir. Ən yüksək zirvələri: Qoşabulaq (3549 m.), Qocadağ (3317 m.) və s.

Yura, Tabaşir, Paleogen və Antropogen çöküntüləri yayılmışdır. Qara və ağ mərmər yataqları var. Yayı quraq keçən mülayim isti, qışı quraq keçən soyuq və dağlıq tundra iqlimi üstündür.

Çay şəbəkəsi sıxdır. Axınca və Zəyəm çaylarının yuxarı axını bu rayonun ərazisindədir. Şəmkir çayının yuxarı axını rayonun cənub-qərb sərhədindən axır. Qonur dağ-meşə, çimli dağ-çəmən və s. torpaqlar yayılmışdır.

Meşələrin ümumi sahəsi 30,5 min hektardır(1980).Heyvanları: qayakeçisi, cüyür, qonur ayı, canavar və s.Quşlardan tetra, ular,qartal və s. var.

Rayonda ərazisində məşhur "Qızılça" yasaqlığı və 4 təbii abidə - Qovdu, Gödəkdərə, Qamış və Şamlıq meşə massivləri var. Keçidərəsi yarğanında gözəl bir şəlalə, Keçi- keçi, Cərcə, Cüyür və Ayıbulaqları, eləcə də Çaldaş, Qızılca Narzan, Mor-mor mineral su bulaqları var. Rayonun dağlarında, meşə və dərələrində heyvanat və bitki aləmi çox zəngindir

Gədəbəy rayonu Ermənistan Respublikası, Azərbaycanın Daşkəsən, Tovuz və Şəmkir rayonları ilə həmsərhəddir.