Район расположен в восточной части Новосибирской области, со всех сторон примыкая к городу Новосибирску. Входит в Новосибирскую агломерацию. Граничит с Мошковским, Тогучинским, Искитимским, Ордынским, Коченёвским и Колыванским районами Новосибирской области.
Район расположен на Приобском плато, занимает долины рек Оби и Ини. В южной части района - плотина Новосибирской ГЭС, к нему полностью относится левобережная зона Новосибирского водохранилища.
Новосибирский район расположен на территории в 2831 кв. км. Площадь района, используемая землепользователями - 105787 га.
Новосибирский район расположен в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины. Река Обь разделила территорию на две части, отличающиеся геологическим строением и рельефом.
В восточной части Обь-Инского водораздела расположена Сокурская холмистая равнина. Абсолютные высоты 160-240 м. Глубина врезания речной сети 500-100 м, ближе к долине Оби - 25-50 м. Уклон поверхности 1-2 градуса. Сокурская равнина характеризуется развитием сложной системы овражно-балочной сети.
Иня-Бердское междуречье отличается более спокойным равнинным рельефом, абсолютные высоты до 200 м, выражен эоловый микрорельеф, отдельные эоловые бугры, гряды достигают высоты 5-7 м. Интенсивно развиваются овраги.
В восточной части Иня-Бердского междуречья начинается Буготакская холмистая равнина с останцовыми формами рельефа, которая приурочена к области развития обнаженных и погребенных структур Колывань-Томской зоны. Главные особенности ее рельефа предопределены условиями сопряжения герцинского складчатого пояса с каледонскими структурами Салаирского кряжа. На его траверсе отмечаются повышенные формы рельефа - Буготакские сопки (находятся за пределами района). Абсолютные отметки 200-300 м, глубина расчленения рельефа 50-100 м. Буготакская равнина также характеризуется сложной системой развития овражно-балочной сети.
В основном на правобережье распространен эрозионно-аккумулятивный тип рельефа, который характеризуется следующими морфологическими комплексами:
- днища логов и оврагов;
- плоские возвышенные водоразделы;
- слаборасчлененные пологие склоны;
- интенсивно расчлененные выпуклые склоны.
На юге района выделяется денудационно-аккумулятивный тип рельефа, представленный волнистыми узкими водоразделами древних денудационных поверхностей.
На западе района расположены восточные участки Приобского плато, плоская, слабонаклоненная равнина, абсолютные отметки которой 150-170 м. Глубина расчленения рельефа 50-100 м, уклоны поверхности 3-5 градусов. Здесь преобладает эрозионно-аккумулятивный тип рельефа с плоскими возвышенными водоразделами и слаборасчлененными пологими склонами. Из форм микрорельефа распространены суффозионно-просадочные западины блюдцеобразной формы с диаметром до 100 м, глубиной 1-2 м, заросшие кустарником, березой, осиной.
В районе на отдельных участках проявилась неотектоника, выразившаяся в развитии ослабленных зон не только в палеозойском фундаменте, но и в четвертичном осадочном чехле, эти факторы способствуют развитию эрозионных процессов на площади и в настоящее время.
На Обь-Инском междуречье овражная расчлененность превышает 0,1 км/км.
Климат Новосибирского района континентальный. По агроклиматическому районированию относится к умеренно теплому, недостаточно увлажненному агроклиматическому подрайону.
Зима суровая и продолжительная, с устойчивым снежным покровом, сильными ветрами и метелями. Во все зимние месяцы возможны оттепели, но они кратковременные и наблюдаются не ежегодно.
Вследствие обилия солнечного света и тепла лето жаркое, но сравнительно короткое. Оно характеризуется незначительными изменениями.
Переходные сезоны (весна и осень) короткие и отличаются неустойчивой погодой, весенними возвратами холодов, поздними весенними и ранними осенними заморозками. Заморозки начинаются во второй декаде сентября и заканчиваются в последней декаде мая.
Годовая сумма осадков составляет 442 мм/год, 72% осадков выпадает в теплый период и 28% в холодный период года. Снежный покров сохраняется от 148 до 184 дней в году, с середины октября до середины апреля. Величина его в феврале достигает 37 см на открытых участках, до 69 см - в лесу. Максимальные величины соответственно 51 и 96 см.