Новоаннинский муниципальный район расположен в северо-западной части Волгоградской области, в 250-ти километрах от областного центра. Граничит с Новониколаевским, Алексеевским, Михайловским, Киквидзенским и Урюпинским районами.
Площадь района составляет 3081 кв. километр. По территории района проходят стальная магистраль Приволжской железной дороги и федеральная автотрасса «М-6 Каспий».
Среднегодовое количество населения Новоаннинского муниципального района за 2015 год составило 34498 человек (по данным Волгоградстат). Плотность населения – 11,2 человек на 1 кв. километр.
Административное деление включает в себя одно городское поселение и 13 сельских поселений, в том числе из 70 населенных пунктов: 1 город, 2 станицы, 11 поселков и 56 хуторов. Все административные центры соединены с районным центром - г. Новоаннинский дорогами с твердым покрытием.
По своим природным условиям район относится к зоне сухих степей. Почвы представлены южным черноземом.
Климат континентальный, с жарким летом, умеренно-холодной зимой, недостаточным количеством осадков. Среднегодовая температура составляет +4,5 градусов С. Абсолютный максимум в июле + 45 градуса С, абсолютный минимум в январе - 44 градуса С. Вегетационный период продолжается 180-190 дней. Среднегодовое количество осадков – от 300 до 575 мм. Влажность воздуха в зимние месяцы превышает 80%, в летние месяцы составляет 41-47%.
По территории района с востока на запад протекает река Бузулук с притоками: с левой стороны – речка Перевозинка, речка Черная и речка Таволжанка, с правой – речка Паника. Весной Бузулук питают паводки, летом – русловые ключи. Вдоль левого берега проходит притеррасная пойма с выровненной поверхностью. Эта древняя река с чистой водой, естественными красивыми природными ландшафтами и богатая рыбными ресурсами, является источником питьевой воды для жителей города и района.