Расположен к югу от реки Кама и к востоку от реки Шешма.

Площадь 22,5 тысяч км2.

В геологическом отношении основная часть района приурочена к Южно-Татарскому своду. Фундамент сложен кристаллическими породами архея и протерозоя; залегает на глубине от 1600 м у города Альметьевск и 2000 м на юго-востоке и северо-востоке района. На размытой поверхности фундамента залегают породы верхнего протерозоя, выше – девона и карбона.

На поверхность выходят пермские, неогеновые и четвертичные отложения. Основная часть территории Восточного Закамья сложена cредне- и верх­непермскими образованиями. Песчано-глинистые породы уфимского яруса с тонкими прослоями мергелей, известняков и доломитов вскрываются в нижних частях склонов долин рек Кама, Ик, Шешма и ряда их притоков.

На значительных площадях развиты отложения казанского яруса – глины и известняки внизу и песчано-глинистые красноцветные образования с тонкими прослоями карбонатных пород вверху. Наиболее высокие водоразделы сложены породами татарского (верхнего) отдела перми – песчаниками, алевролитами, аргиллитами красновато-коричневых цветов. Неогеновые отложения выполняют глубоко врезанные древние долины рек Кама, Белая, Ик, Зай, Шешма и их притоков. В основании это речные и озерно-речные песчано-галечные и песчано-глинистые образования, в средние части разреза – морские глинистые, в кровле – вновь континентальные песчано-глинистые. 

Значительные площади неогеновые отложения занимают на северо-востоке района – в Камско-Бельской низине. Четвертичные отложения встречаются почти повсеместно, но наибольшие их мощности приурочены к речным долинам, где они слагают серию до 5-6 надпойменных террас или образуют шлейфы на пологих склонах.

Рельеф Восточного Закамья отличается наибольшей приподнятостью, большой глубиной (150-250 м) вреза резко асимметричных речных долин, широким распространением на склонах структурных террас, а по речным долинам – карстовых форм. Основная часть района занята Бугульминским плато.

На северо-востоке находится Камско-Бельская низина. Наибольшие высоты (280-360 м) на юге, в верховьях рек Сула, Тумбарлинка и Дымка. Максимальная высота территории РТ – 381 м на границе с Оренбургской областью. Севернее и северо-восточнее водоразделы понижаются до 240-200 м.

Территория расчленена густой сетью речных долин (0,5 км/км2) и балок (0,61 км/км2). Овражная сеть развита слабо (0,13 км/км2).

Климат северной части Восточного Закамья относительно прохладный, с неравномерным распределением осадков летом и сравнительно холодной, недостаточно снежной зимой. Южная возвышенная часть характеризуется прохладным и влажным летом, умеренно холодной и снежной зимой. Средние температуры января изменяются от -13,8° до -14,7 °С, июля – от 18,3° до 19,5 °С, абсолютный минимум -49 °С (1942, Муслюмово), абсолютный максимум 39°С (1952, Муслюмово). Продолжительность безморозного периода составляет в среднем 120-130 дней.

Годовое количество осадков 480-530 мм. Высота снежного покрова 31-46 см.

Восточное Закамье характеризуется хорошо развитой речной сетью. Территория дренируется реками Ик (притоки – Дымка, Стярле, Мелля, Мензеля), Степной Зай (притоки – Бугульминский Зай, Лесной Зай, Зыча), Шешма (притоки – Лесная Шешма, Кичуй). По Камско-Бельской низине протекают река Белая и ее приток – река Сюнь. В поймах рек много старичных и карстовых озер; на Камско-Бельской низине находится самый крупный в РТ болотный массив Кулягаш.

В северной части района широко распространены серые лесные почвы, в южной – черноземы выщелоченные, типичные и карбонатные, по поймам рек – аллювиальные дерновые насыщенные, в Камско-Бельской низине – аллювиальные болотные и аллювиальные дерновые почвы. Территория Восточного Закамья относится к лесостепной зоне; леса широколиственные, с преобладанием липы, вяза, дуба; много березняков и осинников. Наиболее крупные массивы лесов в Лениногорском, в западной части Альметьевского, Заинского, на юге Нижнекамского районов. Средняя залесенность территории 17%. Степные участки сохранились на крутых, часто каменистых склонах; большая часть их распахана и занята агроценозами. К долинам рек приурочены пойменные луга, используемые под сенокосы и пастбища.

Главным богатством района являются горючие и нерудные полезные ископаемые. Горючие представлены нефтью и попутным газом, битумами, каменным и бурым углями. Нефть и газ приурочены к девонским и каменноугольным отложениям.

Ряд месторождений (Ромашкинское и другие) эксплуатируется более 60 лет. Основные месторождения сосредоточены в Лениногорском, Альметьевском, Азнакаевском районах. Месторождения битумов приурочены к верховьям рек Шешма, Лесная Шешма, среднему течению реки Кичуй; в Сармановском районе известные запасы каменного угля, в Тукаевском и Мензелинском – бурого угля.

Из нерудных полезных ископаемых разрабатываются месторождения песчано-гравийного материала в долинах рек Ик (Апсалямовское, Дым-Тамакское, Новониколашкинское, Муллинское и другие), Кама (Сокольское, Камско-Полянское, Соболековское), Шешма (Нагайское) и другие. Пески строительные добываются в долине Камы (Ворошиловское). Восточное Закамье богато бентонитовыми глинами (Биклянское, Больше-Атынское месторождения). Много мелких месторождений кирпичных глин, строительного и пильного камня (Ново-Каширское, Сармановское, Кама-Исмагиловское, Сугушлинское, Кармалинское).

В Восточном Закамье, на левобережье Камы, находится часть национального парка «Нижняя Кама» – лесной массив Кзыл-Тау. Выделены как особо охраняемые территории ландшафтные (Урдалы-Тау, Игимский бор, Борковская дача, Татарско-Дымская поляна, Петровские сосны, Карабашская гора, Салиховская гора и другие) и водные (реки Дымка, Ик, Сюнь, Шешма и другие) памятники природы; природные (Сулюковский лес, Адонисовый лес, Нарат-Астинский бор, Чатыр-Тау, Степной и другие) и охотничьи (Бугульминский, Багряжский, Азнакаевский, Шугуровский и другие) заказники.