Надымский район находится в центральной части Ямало-Ненецкого автономного округа. На юге и юго-западе он граничит с Ханты-Мансийским автономным округом, на западе с Приуральским районом ЯНАО, на северо-западе – с Ямальским, на северо-востоке – с Тазовским, на востоке – с Пуровским. Северная граница проходит по акваториям Обской и Тазовской губы.
Район расположен в северной части Западно-Сибирской низменности, охватывает бассейн реки Надым и западную часть Тазовского полуострова.
Общая площадь района составляет 110 тыс. км2. Территория района покрыта множеством озер и более чем наполовину заболочена. Помимо самой крупной реки Надым, на территории района протекают реки Правая Хетта, Левая Хетта и другие. Повсеместно распространена многолетняя мерзлота.
Надымский район, согласно закону Ямало-Ненецкого автономного округа «О наделении статусом, определении административного центра и установлении границ муниципальных образований Надымского района» от 20 декабря 2004 г. № 111-ЗАО, наделен статусом муниципального района с административным центром город Надым. В составе территории муниципального образования Надымский район образованы муниципальные образования:Основное значение Надымского района в экономике не только региона, но и страны связано с добычей и транспортировкой природного газа и нефти. На территории района проходят основные потоки газа на Урал и в центральные районы России, в Восточную и Западную Европу.
В настоящее время на территории Надымского района открыто более 40 нефтегазоконденсатных месторождений, в том числе такие супергиганты по запасам углеводородов как Медвежье, Ямбургское, Уренгойское, Северо-Уренгойское, Песцовое, Северо-Комсомольское, Сугмутское, Юрхаровское. Добыча углеводородов на территории Надымского района ведется на 18 месторождениях.
В транспортном отношении территория освоена слабо. Железнодорожный транспорт представлен железнодорожной линией Коротчаево - Новый Уренгой – Пангоды - Надым-пристань и участком Новый Уренгой - Ямбург. В г. Надыме на обоих берегах одноименной реки расположен речной порт. Автодорожная сеть района развита слабо. Действуют автодороги с твёрдым покрытием Надым - Новый Уренгой, Надым - Приозёрный, строится автодорога Надым - Салехард. В Надыме имеется аэропорт, в остальных населенных пунктах – вертолетные площадки. По территории района проходят магистральные газопроводы с Уренгойского, Ямбургского и Медвежьего месторождений в европейскую часть страны.