Надымский район занимает центральную часть севера Западно-Сибирской низменности и охватывает бассейн реки Надым и западную часть Тазовского полуострова. Западная граница района проходит по водоразделу бассейнов рек Надым и Полуй. На юге и юго-западе район граничит с Ханты-Мансийским автономным округом. С востока граница проходит по водоразделу бассейнов рек Надым и Ныда с одной стороны и бассейна реки Пур — с другой. В северо-восточной части Тазовского полуострова, район граничит с Тазовским районом. Северная граница проходит по акваториям Обской и Тазовской губы. Общая площадь района составляет 110 тысяч квадратных километров. Территория района покрыта множеством озер и более чем наполовину заболочена. Помимо самой крупной реки Надым, на территории района протекают реки Правая Хетта и Левая Хетта и другие. Повсеместно распространена многолетняя мерзлота.