Расположен на правобережье реки Волга.

Площадь 12,6 тысяч км2. Занимает северо-восточную часть Приволжской возвышенности с преобладающими абсолютными высотами водоразделов 180–230 м. Наибольшая высота (280 м) на юго-западе Дрожжановского района. Долиной нижнего течения реки Свияга Предволжье разделено на 2 близкие по площади части – восточную, возвышенную и сложную по рельефу, и западную, менее высокую и более выровненную. Преобладающая густота речной сети 0,3–0,4 км/км2. Наиболее крупными притоками Свияги являются Цильна, Карла, Була, Кубня (левые) и Кильна, Улема, Сулица (правые).

В северной части района поверхность сложена породами казанского яруса и татарского отдела пермской системы (известняки, доломиты, гипсы, мергели). Южнее широты города Буинск наибольшее распространение получили юрские и нижнемеловые глины и песчаники, на крайнем юго-западе – верхнемеловые известковые мергели. В глинах интенсивно развиваются оползни.

В известняках и гипсах казанского яруса обычны карстовые провалы. На правом склоне долины Волги сформировался комплекс пещер.

Климат Предволжья отличается относительно теплым и влажным летом, прохладной и умеренно снежной зимой. Средние многолетние температуры января изменяются от -13 °C на западе до -13,6 °C на юго-востоке, июля – от 18,9 °C на западе до 19,6 °C на востоке. Абсолютный минимум температуры -48 °C (1942, Буинск), абсолютный максимум 39 °C (1971, Буинск).

С середины 1960-х гг. средняя температура января увеличилась на 1,5–1,6 °C, июля на 0,1–0,3 °C. Продолжительность безморозного периода колеблется от 125 дней на западе до 146 дней на востоке. Годовое количество осадков составляет 500–540 мм, в том числе за теплый период года 340–360 мм. Высота снежного покрова 32–43 см. Предволжье расположено в лесостепной зоне. В его северной части преобладают серые и темно-серые лесные почвы, на юге на мезозойских глинах сформировались выщелоченные и оподзоленные черноземы. За последние 200 лет лесистость Предволжья сократилась более чем в 3 раза (до 10%). Относительно крупный массив лиственных лесов сохранился на юге-востоке (в Щучьих горах). Сельскохозяйственные угодья (в основном, пахотные земли) занимают на востоке 50–60% площади, на западе до 80–85%. Среди полезных ископаемых обычны месторождения глин и известняков, здесь сосредоточены основные промышленные запасы гипса и горючих сланцев в республике, имеются месторождения битумов (Сюкеевское), мела, фосфоритов, цеолитов.

В Предволжье выделено значительное количество особо охраняемых природных территорий. По правому крутому склону долины Волги вскрываются разрезы верхнеказанского  и нижнетатарского подъярусов верхней перми, имеющие международное значение.

На правобережье Волги расположены также природные заказники: «Свияжский», гора Лобач, Лабышкинские горы, Долгая Поляна. В различных районах выделены памятники природы: лесные (Горный сосняк, Турминская дача, Кайбицкие дубравы, Тархановские дубравы); ботанические (Кликовский склон, Теньковская ковыльная степь, «Каменная», Кереметь); зоологические (Ново-Тинчалинская сурковая колония, Утинская сурковая колония); водные (реки – Свияга, Улема, Бирля, Сулица; озера – Провальное озеро, Собакино озеро, Лесное озеро, Байкуль, Озеро, Большое озеро).