Расположен к северу от нижнего течения реки Кама между рекой Волга на юго-западе и рекой Вятка на востоке.

Площадь 17,9 тысяч км2. Находится в пределах Волго-Уральской антеклизы Русской платформы. Фундамент платформы сложен кристаллическими породами архея и протерозоя, залегает на глубине от 1550 м на востоке до 1800 м на западе и перекрыт морскими и континентальными отложениями девонской, каменноугольной, пермской, неогеновой и четвертичной систем. Поверхность сложена верхне- и среднепермскими образованиями: склоны речных долин – породами казанского яруса (известняки, доломиты, на востоке также глины и песчаники), водоразделы – континентальными образованиями татарского (верхнего) отдела (пестроцветные глины и мергели с прослоями песчаников и известняков). Древние долины Волги, Казанки, Меши выполнены песчано-глинистыми толщами плиоцена, речные террасы сложены четвертичным аллювием (пески, галечники, суглинки), пологие склоны покрыты делювиально-солифлюкционными суглинисто-щебневыми отложениями. Пески высоких террас Волги, Казанки и Илети местами перевеяны в дюны.

Рельеф Западного Предкамья представляет собой равнину, расчлененную речными долинами, балками и оврагами. Абсолютные высоты рельефа составляют 53-228 м, средние – около 150 м. Возвышенные участки равнины (200-220 м) связаны с тектоническими структурами – южной оконечностью Вятского вала на западе и Северным куполом Татарского свода на востоке. Между этими возвышенностями располагается равнина с высотой 180-200 м. На юго-западе – широкая (до 20-25 км) полоса левобережных террас Волги с абсолютной высотой 60-130 м. Для Западного Предкамья характерна густая (0,36 км/км2) овражная сеть, превосходящая средние значения для РТ в 1,5 раза. Почвенной эрозией охвачено до 50% территории. В долинах Волги и Казанки, а также в зоне Вятского вала интенсивно развит карст, а на крутых правых склонах долин Камы и Вятки – оползневые процессы.

Климат Западного Предкамья отличается относительно влажным и прохладным летом, умеренно холодной и снежной зимой. Средние температуры января изменяются от -13,5°С на юго-западе до -14,3°С на северо-востоке, июля – от 18,6°С на севере до 19,5°С на юге. Абсолютный минимум температуры -48°С (1978, Арск), абсолютный максимум 40°С (2010, Казань). Продолжительность безморозного периода от 120 (на северо-западе) до 150 дней (на юге, вблизи Куйбышевского водохранилища). Количество атмосферных осадков за год 490-540 мм, в том числе в теплый период 330-360 мм. Высота снежного покрова 36-47 см.

Территория региона дренируется левыми притоками Волги: на крайнем северо-западе – рекой Илеть и ее притоком Ашит, далее к востоку – рекой Казанка. По центральной и южной части протекают правые притоки Камы – Меша, Брысса, Ошняк, Бетька, Суша, Шумбут, Берсут. Северо-восточная часть региона относится к бассейну реки Вятка (притоки – Шия, Бурец, Шошма). Средняя густота речной сети 0,32 км/км2. Здесь много глубоких озер, особенно в западной части района, – Раифское, Осиновское, Глубокое, Большое голубое, система озер Кабан, Ковалевское, Архиерейское и другие.

Преобладающими и наиболее плодородными почвами Западного Предкамья являются светло-серые и серые лесные почвы (занимают около 70% площади сельскохозяйственных угодий). На плоских водоразделах распространены дерново-подзолистые (17%) и дерново-карбонатные (5%) почвы. Распаханность территории составляет 61-86%.

Средняя лесистость 16,6%, наименьшая – в Атнинском (4%), наибольшая – в Мамадышском (28%) районах.

Из полезных ископаемых преобладают запасы строительного сырья. Эксплуатируются крупные месторождения известняков и доломитов, глин и суглинков, песков. В долине Меши имеются запасы торфа, сапропелей.

Западное Предкамье выделяется наиболее густой в РТ сетью особо охраняемых природных территорий. Здесь находятся Волжско-Камский заповедник; природные заказники: Ашит, Голубые озера, «Старая мельница»; памятники природы: лесные – Сокольский лес, Истоки Казанки, Рукотворный лес, Семиозерский лес, Пихтарник Порфирьева и другие; ботанические – Янга-Салинский склон, Эстачинский склон и другие; зоологические – Корсинская и Сумкинская колонии серой цапли, Гнездовая колония озерной чайки; ландшафтные – Кукморская гора, Скотские горы, овражно-балочные системы «Фахри-Яры», Кишангер, «Никольская» и другие.

Памятниками природы объявлены 10 рек (Казанка, Меша, Берсут, Шошма и другие), 18 озер (Белое, Ковалевское, Архиерейское, Заячье, Чистое, Саламыковское и другие).

С целью охраны и увеличения численности промысловых видов животных организованы охотничьи заказники – Сурнарский, Шумбутский, Столбищенский, Мешинский, Сабинский.