Округ граничит одновременно с шестью субъектами Российской Федерации.
Расположен в зоне таежных лесов и болот. Рельеф региона разнообразен: на его территории есть равнины, предгорья и горы. Высшие точки - гора Народная (1895 м) на Приполярном Урале и гора Педы (1010 м) на Северном Урале.
В Ханты-Мансийском автономном округе протекают две крупных реки: Обь, протяженностью 3650 км и ее приток Иртыш, длина которого 3580 км. Притоки этих рек также соизмеримы с крупными водными артериями. К примеру, Большой Юган и Вах (притоки Оби) сравнивают с Вислой и Одрой. Приток Иртыша река Конда сопоставима с Рейном. Практически все реки округа имеют низкую скорость течения, характеризуются весенне-летними разливами и паводками. Треть территории округа занимают болота. В окружении болот и лесов расположено около 300 тыс. озёр.
Климат округа умеренный континентальный. Отличается резкой переменой погоды весной и осенью, перепадами температур в течение суток. Зимы продолжительные, снежные и холодные. Морозы могут установиться на несколько недель при температуре воздуха ниже минус 30 градусов. Лето короткое и теплое.
