По территории района протекают две судоходные реки: Зея и Селемджа. Селемджа делит район по рельефу на слабоволнистые заболоченные озерно-алювиальные равнины к югу и сопочно-котловинную Зейско-Селемджинскую высокую таежную равнину предгорий хребта Джагды. Средняя температура января −31,1 градуса, июля +20 градусов, годовое количество осадков — 550—580 мм. Речная сеть — реки бассейна Зеи, Селемджи и её притоков Орловки, Норы, Ульмы и Томи. Крупнейшие пойменные озера Длинное и Песчаное.