Перелюбский район расположен в юго-восточной части левобережья Саратовской области. На севере район граничит с Ивантеевским районом Саратовской области и Самарской областью, на востоке ‑ с Самарской областью и Республикой Казахстан,на юго-западе ‑ с Озинским и Пугачевским районами.
Территория района расположена в области низкой сыртовой равнины на общем водоразделе рек Большой Иргиз и Камелик. Река Камелик – главная водная артерия района.
Общий характер рельефа – пологоволнистая равнина, рассеченная балками, оврагами и реками (Сестра, Тепловка, Сухой Камелик) на водоразделы второго и третьего порядка.
По территории района протекают 13 речушек, имеется около 200 искусственных водоёмов, в том числе крупное – Марьевское водохранилище ‑ (22 млн. куб. метров), несколько живописных озер (в пойме Камелика), родников.