Rokiškio rajonas yra daugiausia išsidėstes Vakarų Aukštaičių plynaukštėje, rytuose siekia Aukštaičių aukštumą, o šiaurės vakaruose – Mūšos-Nemunėlio žemumą. Aukščiausia Rokiškio rajono vieta, 175 m, yra šalia Švilpiškio, o žemiausia, 76 m, ties Rokiškio, Biržų rajonų bei Latvijos sienų sandūra.

Pietinė ir rytinė Rokiškio rajono dalis priklauso Šventosios baseinui (Šetekšnos aukštupys, Kriauna), likusi pusė –Lielupės baseinui (teka Nemunėlio, Lėvens, Apaščios, Susėjos aukštupiai). Rokiškio rajonas itin ežeringas – čia telkšo 99 Rokiškio rajono ežerai (didžiausi – Sartai, Dviragis, Rašai, Čedasas, Našys, Zalvė, Jūžintas,Vazajis), 11 tvenkinių. Yra keletas pelkių (Suvainiškio, Juodymai, Paduobio).

Vyrauja pušynai, mišrieji miškai. Miškingumas – 26,3 %. Didžiausi miškai – Suvainiškio, Apūniškio, Salagiris. Yra Notigalės spanguolyno dalis.

Sausio vidutinė temperatūra – -5,9 °C, liepos – +17,6 °C. Vidutinis metinis kritulių kiekis – 716 mm. Vidutinis sniego dangos storis – 25 cm. 26,3