Территориально район граничит: на севере и западе с Тверской областью, на юге с Новодугинским, на востоке с Гагариснким районами Смоленской области. Площадь территории — 1791,1 км².
Самый северный район Смоленской области. Район расположен в основном в пределах Сычёвской низменности.
Возле деревни Дудкино находится исток реки Днепр.
Реки района: Вазуза, Гжать, Осуга, Касня, Лосьмина, Яблоня.
Озёра: Гавриловское.
В 1978—1981 в связи с наполнением Вазузского водохранилища Вазузской гидросистемы значительная часть района была затоплена.
Почвы в районе дерново-среднеподзолистые, в центральной части района — дерново-глеевые оподзоленные; глинистые и тяжелосуглинистые. Леса занимают 33,8 % территории.
Район образован в 1929 году на территории Сычёвского и Бельского уездов Смоленской губернии, а также части Ржевского уезда Тверской губернии.