Район, площадью 11,8 тыс. км², занимает Саяно-Прибайкальскую часть западной Бурятии. Граничит на севере по Тункинским Гольцам с Окинским районом, на юге по Хангарульскому хребту и водоразделу западного Хамар-Дабана — с Закаменским районом республики. На западе и юго-западе по массиву Мунку-Сардык и юго-восточным отрогам Большого Саяна проходит государственная граница России и Монголии. На востоке район примыкает к Слюдянскому району Иркутской области.
Северную половину района занимает Тункинская долина, являющаяся продолжением Байкальской впадины и уникальная своими целебными источниками и альпийскими лугами. Она протянулась в широтном направлении на 200 км, постепенно поднимаясь до 1200 м над уровнем моря и сужаясь от 30 до 20 км. По ложу долины течёт главная река района — Иркут.
Южная часть района разделена рекой Зун-Мурэн на горно-таёжные отроги Хамар-Дабана на юго-востоке и отроги Большого Саяна с безлесными плато на западе.
