Район входит в Хэнтэй-Чикойское нагорье, основной орографической осью служит круто обрывающийся к югу Малханский хребет, отроги хребта Цаган-Хуртей. Межгорное Хилокское понижение вытянуто в северо-восточном направлении. На юге района расположен Бутунгарский государственный заповедник; большие площади занимают лесные массивы.
Климат резко континентальный. Средняя температура в июле от +14°С до +16°С, максимальная +36°С. Средняя температура в январе -24 – 26°С. Абсолютный минимум -55°С. Количество выпадающих осадков 400, местами 500 мм. Весна и начало лета засушливы. Довольно высокая увлажненность в сочетании с высокой лесистостью способствовали образованию разветвленной речной сети. Гидрографическая сеть района представлена главной рекой – Хилок и ее 10-ю притоками, самым крупным из которых является р.Унго.

Из разновидностей почв наиболее распространены луговые, темно-серые лесные, дерново-карбонатные, черноземные бескарбонатные и лугово-черноземные. Хребты высотой 1200 – 1300 метров в значительной мере заросли кедром, поднимающимся до самых вершин и лишь отчасти спускающимся в долины рек и на нижние части склонов, где господствуют лиственнично-сосновые травяно-кустарниковые леса.