Район расположен в северной части Курской области. Граничит с Поныровским, Фатежским, Курским, Щигровским районами Курской области, а также с Орловской областью. Протяжённость района с севера на юг 44 км, с запада на восток — 40 км. Площадь — 1157 км² (10-е место среди районов), что составляет 3,7 % территории области.
Основные реки — Снова, Тускарь.
Климат Золотухинского района умеренно континентальный, с недостаточным увлажнением. Средняя температура воздуха в райцентре зимой −7…−9 °C, летом воздух прогревается до +20…+22 °C. Начало зимы обычно отмечено пасмурной и сырой погодой, нередок дождь или снег с дождем. Снежный покров редко появляется раньше середины декабря. Зима продолжительная, до конца марта, с частыми оттепелями.
В рамках организации местного самоуправления в муниципальный район входят 10 муниципальных образований, в том числе 1 городское и 9 сельских поселений.
В ходе муниципальной реформы 2006 года в составе новообразованного муниципального района законом Курской области от 21 октября 2004 года были созданы 20 муниципальных образований, в том числе одно городское поселение (в рамках рабочего посёлка) и 19 сельских поселений (в границах сельсоветов).
Законом Курской области от 26 апреля 2010 года был упразднён ряд сельских поселений: Воробьёвский, Гремяченский и Шестопаловский сельсоветы (включены в Будановский сельсовет); Седмиховский, Бело-Колодезский (до апреля 2006 года — Бело-Колодезский) и Вереитиновский сельсоветы (включены в Ануфриевский сельсовет); Революционный и Фентисовский сельсоветы (включены в Донской сельсовет); Зиборовский и Сергиевский сельсоветы (включены в Дмитриевский сельсовет). Соответствующие сельсоветы как административно-территориальные единицы упразднены не были.
В Золотухинском районе 137 населённых пунктов, в том числе один городской (рабочий посёлок) и 136 сельских населённых пунктов.
Через район проходят Московская железная дорога (участок протяжённостью 34 км с двумя товарными конторами в п. Золотухино и ст. Свобода), нефтепровод.
