Площадь — 18,5 тыс. км². На севере граничит с сельской зоной города Экибастуза, на северо-востоке — сельской зоной города Аксу, на востоке — Майским районом, на юге и западе — с Карагандинской областью.
Климат района — резко континентальный с жарким летом (до +42ºС) (Стабильно с 2022 года) и суровой (до −35ºС) зимой. Среднегодовое количество осадков колеблется от 270 до 277 мм, средняя температура января −16º-35ºС, июля +30º+36ºС. Снежный покров окончательно устанавливается в конце ноября и заканчивается под конец апреля.
Поверхность района горно-степная. Основная часть территории района занята северо-восточными отрогами Сарыарки. Из наиболее выдающихся по своей высоте гор можно отметить горы Кызылтау, Акбет, Акбастау. На территории гор по небольшим ложбинкам стекает большое количество ручьёв и речек, которые входят в предгорные равнины, теряются в них, в большинстве случаев не доходя до озёрных впадин. Наиболее ценными пресноводными источниками являются озёра Сабындыколь, Жасыбай, дающие значительные уловы щуки, чебака, окуня, карася, линя.
Почва района в общем виде характеризуется светло-каштановой окраской с оттенком от бурой до светло-коричневой. По механическому составу представляет собой лёгкие суглинки, чаще супеси. Мелкосопочник характеризуется щебёнчатыми почвами, причём вершины сопок — каменные, обнажённые, а склоны покрыты почвой, мощность которой к основанию сопок постепенно возрастает. В большинстве, как на равнинах, так и на возвышенных местах разбросаны комплексы солонцов и солончаков, придающих почве тяжёлый характер.
В недрах Баянаульского района разведаны запасы каменного угля, золота, меди, полиметаллических руд, поваренной и глауберовой соли, кварцевых и стекольных песков, естественных строительных материалов и других полезных ископаемых.
Население представлено в основном казахами, а также — русскими, немцами, украинцами и другими. Средняя плотность населения 1,5 человека на 1 км². На начало 2019 года население района составило 25 859 человек[2].