Холмогорский округ расположен на северо-востоке Архангельской области в нижнем течении реки Северная Двина. Территория составляет 16,8 тысяч квадратных километров. Холмогорский муниципальный округ граничит на севере с Пинежским и Приморским районами, на западе – с Приморским и Плесецким районом, на востоке – с Пинежским районом, на юге – с Плесецким и Виноградовским районами Архангельской области.
Климат умеренно-континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой, короткой весной с неустойчивыми температурами, относительно коротким умеренно теплым увлажненным летом, продолжительной и ненастной осенью.
Растительность представлена среднетаежными еловыми и сосновыми, широким разнотравьем на пойменных лугах и ягодных полукустарников в лесу. По лесорастительному районированию территория Холмогорского района относится к таежной зоне, подзоне северной тайги. Она находится в пределах Северотаежного округа Восточноевропейской тайги Двино — Печерской провинции.
На территории округа расположены особо охраняемые природные объекты: Чугский ландшафтный заказник регионального значения площадью 7973 гектара и Сийский лесопарк – биологический заказник федерального значения площадью 43 тыс. гектаров.
На территории Холмогорского муниципального округа Архангельской области из минерально-сырьевых ресурсов имеются месторождения гипса, торфа, известняка, песчано-гравийная смесь.
