Площадь 1 990 км² (1-е место среди районов).
Протяженность границ района 263 км. Он граничит с Харьковской областью, Юрьевским, Павлоградским, Синельниковским, Днепропетровским и Магдалиновским районами.
Климат района — умеренно-континентальный. Лето жаркое и сухое, часто с сильными ветрами и засухами; зима мягкая, малоснежная, с частыми оттепелями.
Новомосковский район богат лесом (23 500 га), в частности на его территории расположен Самарский лес (15 000 га). Водное зеркало покрывает более 7 тыс. га. На территории района протекают речкиСамара, Самарчук, Орель, Кильчень,Багата, Богатенькая, Татарка, Вольнянка,Ягодная, Гайдиха, Губиниха, Песчанка,Подпольная, Пидпильнянка и др. На севере проходит 30 км канала «Днепр-Донбасс», а на западе — канал Фрунзенской оросительной системы. Также на территории района расположено озеро Солёный Лиман.