नागौर जिला 26°25' से 27°40' उत्तर अक्षांश और 73°.10' से 75°.15' पूर्व देशांतर के बीच स्थित है, जिसका क्षेत्रफल 17,718 किमी² है। यह बikaner को उत्तर-पश्चिम, चूरू को उत्तर, सिकर को उत्तर‑पूर्व, जयपुर को पूर्व, अजमेर को दक्षिण‑पूर्व, पाली को दक्षिण और जोधपुर को दक्षिण‑पश्चिम तथा पश्चिम से घिरा हुआ है। यह जिला राजस्थान के मारवाड़ क्षेत्र में स्थित है, जो थार मरुस्थल के चारों ओर फैले उत्तर‑पश्चिमी कांटेदार झाड़ी वन क्षेत्र के भीतर है। अरावली पर्वत श्रृंखला जिले के दक्षिण‑पूर्वी भाग में फैली हुई है, जबकि नमक वाला सुम्बर झील, भारत की सबसे बड़ी नमक झील और राजस्थान की सबसे बड़ी झील, दक्षिण‑पश्चिमी कोने में स्थित है और जयपुर जिले की सीमा को पार करती है।
नागौर से बहने वाली एकमात्र नदी लुनी है, जो एक अस्थायी नदी है जो अजमेर जिले के पुष्कर के पास अरावली से उत्पन्न होकर कच्छ की ओर WSW दिशा में बहती है। यह लुनी नागौर में लदपुरा के पास प्रवेश करती है, अलनियावास और झिन्तिया जैसे गांवों को निचोड़ती है और अंततः केकिंड को पार करके पाली जिले के जैतरण क्षेत्र में प्रवेश करती है। लुनी के कई सहायक नदियाँ दक्षिण से मिलती हैं, परंतु वे केवल मानसून के कुछ दिनों के लिए पानी देती हैं। नदी के चौड़े तट अलुवियल और एओलियन तलछट से भरे हुए हैं, और कुछ स्थानों पर नदी लगभग एओलियन रेत से जाम हो गई है। लुनी पूर्व की ओर रेत के प्रसार के विरुद्ध एक अवरोध के रूप में भी कार्य करती है।
जिले की मिट्टियाँ पवन‑संशोधित हैं और शुष्क परिस्थितियों के कारण क्षितिजीकरण का अभाव है। वे ज्वालामुखीय, रूपांतरित और विंध्य प्रणालियों के मिश्रित स्रोतों से बनी हैं। क्षेत्र के 70 प्रतिशत से अधिक हिस्से में एक सामान्य पेडॉन प्रोफ़ाइल पाई जाती है। मुख्य रेतदार पट्टी लुनी के पश्चिम में है, और उत्तरी व पश्चिमी भागों में बिखरी हुई ड्यून्स हैं, जो अधिकांशतः पराबोलिक, लंबवत बर्चान और अवरुद्ध ड्यून्स हैं, जो NNE‑SSW से NE‑SW दिशा में उन्मुख हैं।
वनस्पति विरल है और कांटेदार वन से बनी है। रेत के ड्यून्स पर प्रमुख वृक्ष प्रॉसोपिस सीनेरिया, अकासिया सेनेगल, टेकोमेला उंडुलाटा, गाइम्नोसपोरिया और एर्वा हैं। जिले की भौगोलिक संरचना कम और हल्की ऊँचाई के साथ, अरावली पर्वत श्रृंखला के अलग‑थलग पहाड़ों और टेढ़े-मेढ़े पहाड़ियों से चिह्नित है, और जिले का अधिकांश भाग स्थिर रेत के ड्यून्स से परिभाषित है।
मौसम विज्ञान के अनुसार, नागौर अर्ध‑शुष्क जलवायु का अनुभव करता है, जिसमें अत्यधिक शुष्कता, बड़ी तापमान भिन्नता और अत्यधिक अनियमित वर्षा पैटर्न होते हैं। अधिकतम तापमान 117 °F (47.2 °C) और न्यूनतम 32 °F (0 °C) दर्ज किया गया है। औसत तापमान 74 °F (23 °C) है। सर्दी मध्य‑नवंबर से मार्च की शुरुआत तक चलती है, जबकि वर्षा ऋतु छोटी है, जुलाई से मध्य‑सितंबर तक। जिले में दस जलवायु स्टेशन हैं, जो नागौर, खिंवसर, दिदवाना, मेर्ता, पर्बतसर, मकड़ाना, नवा, जयाल, दगना और लदनु में स्थित हैं। औसत वर्षा 36.16 सेमी है और सापेक्ष आर्द्रता औसतन 59% है।