Район располагается в восточном Прибайкалье.

     Площадь — 15 472 км². В административных границах района находится центральная часть озера Байкал, примыкающая к восточному берегу. Протяжённость с юго-запада на северо-восток — около 300 км; с северо-запада (берег Байкала) на юго-восток (водораздел хребта Улан-Бургасы) — около 70 км. Вся территория представляет собой горную страну с высотами от 600 до 2100 метров, окаймлённую хребтами: Морским , Хамар-Дабан, Улан-Бургасы, Голондинским. 

  Район пересекают на левобережье Селенги в юго-западной части — Транссибирская железнодорожная магистраль  и федеральная автомагистраль Р258 (М-55) «Байкал», в центральной и северо-восточной части — региональная автодорога Р438 «Баргузинский тракт».

    Сейсмичность — 8—9 баллов. Тектонические процессы не закончились, этим обусловлено наличие горячих источников в сёлах Горячинск и Ильинка, на которых созданы курорт «Горячинск» и санаторий «Ильинка». Есть несколько минеральных источников в местности Берёзовая на берегу озера Котокель, в долине реки Турки близ посёлка Золотой Ключ, а также источник Святой Ключ в Гурулёво.

     Северная граница с Баргузинским районом проходит по водоразделу реки Турки (Голондинский хребет), пересекает Баргузинский тракт на 220-м километре в районе мыса Каткова. Восточная и юго-восточная границы с Баунтовским, Хоринским и Заиграевским районами проходит по горному хребту Улан-Бургасы. Северо-западная граница Прибайкальского района проходит по акватории озера Байкал, где район граничит с Иркутской областью. Западная и южная граница с Кабанским, Иволгинским и Заиграевским районами начинается от мыса Тонкого на берегу Байкала, далее пересекает горы Морского хребта, реку Селенгу, автомагистраль «Байкал» на 423 километре и Баргузинский тракт (в Улан-Бургасах) на 18-м километре от Улан-Удэ.

     Расстояние от районного центра, села Турунтаево до самого отдалённого села Золотой Ключ — 150 км. Расстояния от райцентра до Горячинска — 123 км, до Соболихи — 125 км, до Турки — 108 км, до Ильинки — 32 км, до Комы — 12 км, до Гремячинска — 88 км, до Зырянска — 13 км, до Нестерово — 29 км, до Таловки — 41 км, до Татаурово — 19 км.

Водные ресурсы района

    Все реки района относятся к бассейну Байкала / Енисея. В районе протекают реки: Селенга (длина реки, берущей начало в Монголии — 1024 км, в пределах района протяжённость её участка — около 50 км), Турка (272 км), Итанца (85 км), Ангир (55 км), Кика (82 км), Пьяная (43 км, с рекой Левая Пьяная), Кома (28 км), Большой Уналей (27 км), Иркилик (26 км), Таловка (29 км, с рекой Большая Таловка), Цивилей (22 км), Хаим, Коточик, Голонда, Ямбуй и др. Есть ряд небольших рек: Метешиха, Золотуха, Красичиха, Большая речка (Покровская), Кочевная, Батуринская, Нестеровская, Манжеевка, Налимовка, Безымянка и др.

Озеро Байкал: длина береговой линии  в пределах Прибайкальского района — 124 км.

Озеро Котокель: площадь — 68,9 км², длина — 15 км, ширина — около 5 км. На территории района находятся также озера Колок, Малое и Большое Духовые и др.