Mažeikių rajono savivaldybės teritorijos didesnė dalis yra Ventos vidurupio lygumoje, vakarinė – Vakarų Kuršo aukštumos pakraštyje (altitudė iki 123 m, prie Petraičių), pietinė – Rytų Žemaičių plynaukštės pakraštyje (joje, prie Dagių, yra aukščiausia vieta – 146,9 m).

Savivaldybės teritorija teka Venta su intakais: Šerkšne, Varduva, Vadakstimi. Telkšo 6 Mažeikių rajono ežerai, 27 tvenkiniai, didžiausi – Varduvos tvenkinys,Renavo HE tvenkinys, Tulnikų tvenkinys.Didžiausi miškai – Sedos giria, Žalgirio miškas, Balėnų miškas, Mažeikių miškas. Vyrauja eglynai, pušynai, beržynai.

Mažeikių rajono savivaldybės teritorijoje dirvožemiai daugiausia balkšvažemiai, smėlžemiai, ypač pietinėje ir vidurinėje dalyje, šiaurėje ir rytuose – išplautžemiai, Didžlaukių pelkėje – durpžemiai. Svarbiausios naudingosios iškasenos – žvyras, smėlis, durpės.

Gamtos paminklai: botaniniai – Storasis ąžuolas, Storoji eglė, geologiniai – Geidžių akmuo, Juodasis akmuo. 

Istoriniai paminklai: Griežės kapinynas, Kukių kapinynas, Pavirvytės kapinynas, Mažeikių rajono piliakalniai.