Rayon respublikanın şimal-qərbində yerləşməklə, şimaldan Gürcüstan Respublikası, qərbdən Ermənistan, cənubdan və cənubi qərbdən Gədəbəy rayonu, şərqdən Şəmkir rayonu, şimali-şərqdən Samux rayonu ilə həmsərhəddir.
Ərazisi relyef baxımından kəskin müxtəliflliyi ilə fərqlənir. Buraya orta dağlıq, alçaq dağlıq və dağətəyi zonalar daxildir.
Rayonun ərazisinin cənub hissəsi alçaq dağlıq zonada, şimal hissəsi alçaq dağlıq və dağətəyi zonada yerləşir ki, burada da müsbət və mənfi relyef formaları növbələşir. Rayonda üç iqlim sahəsi vardır:

Quru subtropik iqlim. Bu iqlim sahəsi Kür çayı vadisini əhatə edir. Yumşaq qışı və isti yayın olması ilə səciyyələnir.
Mülayim isti quru iqlim. Bu iqlim rayonun düzənlik hissəsini və yüksəkliyi 1000 metrə qədər olan sahələri əhatə edir. Qışı yumşaq və yayı isə bir qədər isti keçir.
Mülayim soyuq, meşə iqlimi. Bu iqlim sahəsi yüksəkliyi 1000-dən 2000 metrə qədər olan dağlıq hissəni əhatə edir. Yayı sərin,qışı isə bir qədər şaxtalı keçir. Tovuz rayonunun iqliminə Cənubi Qafqaz (Zaqafqaziya) yaylasından, Atlantik okeanından, Arktikadan və mərkəzi Asiyadan gələn hava kütlələrinin təsiri vardır.

Kür çayı rayonu iki hissəyə ayırır. Sol sahilində geniş Ceyrançöl massivi uzanır ki, bu da heyvandarlığın inkişafında əsas otlaq kimi istifadə olunur. Çayın sağ sahili əkinçilikdə istifadə olunur, rayonun meşə fondunu və dağ çəmən zonasını tutur.
Rayonun ərazisində çay şəbəkəsi seyrək olub, şimalda Kür çayı, mərkəzi hissədə Tovuz çayı və onun qolu Axınca çayı, Əsrik çayı, şərq hissədə Zəyəm çayı və onun xırda qolları axır, yağıntının illik miqdarı 40-70 mm təşkil edir. Rayonun torpaqları aran zonasında şabalıdı (boz qəhvəyi) torpaqlardan, dağlıq ərazidə dağ çəmən torpaqlarına qədər dəyişir.
Rayonun Bakı şəhəri ilə arasındakı olan məsafə 435 km-dir.