Район расположен на западе Башкортостана, на наиболее приподнятой части Бугульминско-Белебеевской возвышенности. Площадь составляет 1869 км². Находится в 180 км от Уфы.

В недрах района выявлены запасы нефти (Белебеевское, Аксаковское, Усень-Ивановское, Илькинское, Елизаветинское месторождения), известняков (Красно-Зарницкое, Междугорное), песка (Алексеевское, Сысуевское, Белебеевское), песчано-гравийной смеси (Тузлукушевское), кирпичного сырья (Белебеевское). Гидрографическую сеть образуют реки Ик (с притоками Усень, Ря), Дёма (с притоками Менеузом, Слаком, Курсаком) и Белая (с притоком Чермасаном). Преобладают серые и тёмно-серые лесные почвы, выщелоченные, карбонатные и типичные чернозёмы. 39 % площади района занимают леса из липы, клёна, дуба, берёзы, осины и отдельных островков сосны. В Белебеевском и Усень-Ивановском лесничествах организованы заказники по охране горицвета весеннего, ландыша майского и ботанические памятники природы (сосны 300-летние и 90—125-летние).