Расположен на крайнем юго-западе области, граничит с Самарской, Саратовской и Западно-Казахстанской областями. Один из самых равнинных районов области – преобладают широкие речные долины, придолинные плакоры и слаборасчлененные водоразделы.

Северная, приводораздельная часть района с абсолютными отметками 150-230 м, имеет холмисто-увалистый рельеф и сложена верхнеюрскими глинами и мергелями, среднеюрскими и нижнетриасовыми песчаниками, песками и глинами. В центре района – абсолютно безлесная плоскоувалистая, по возрасту меловая равнина, к югу сменяющаяся неоген-четвертичными аллювиальными аккумулятивными равнинами долины Чагана и Урала. Большая часть относится к бассейну р.Чаган.

На глубинах от 3 до 5 км слои девона образуют пологие брахиантиклинальные складки, которые являются идеальными нефте- и газоловушками. По этой причине Первомайский район располагает крупными запасами нети, газа и конденсата. Крупнейшими месторождениями района являются эксплуатирующиеся многопластовые Зайкинское нефте-газо-конденсатное и Ростошинское нефтяное месторождения. Открыты несколько более мелких нефтяных месторождений – Мирошкинское, Вишневское, Зоринское, Конновское и газовых – Тепловское, Долинное и Уральское месторождения.

На территории района находится самое низкое место в области – урез р.Чаган на границе с Казахстаном (27,6 м). С севера на юг сменяются природные зоны: типичные разнотравно-типчаково-ковыльные степи на южных черноземах с островными байрачными лесами, типчаково-полынные степи на солонцовых комплексах, южные полынно-типчаковые степи на темно-каштановых почвах. Лесопокрытая площадь составляет менее 1%, распаханность – 55%, сенокосы и пастбища занимают 38,5% территории района.

В районе среди памятников природы, совокупно занимающих площадь 728,6 га, хорошо представлены эталоны лесных урочищ и лесокультурных насаждений.

Охраняемый статус необходимо придать лесным урочищам Большой Колок, лесам Лисий, Макарьев, Большой Водяникин и Старые Хутора. Местное значение имеют ландшафтно-ботанические урочища Три Шишки, Терновое, Глубокое и Царское, а также исток Чагана и меловой карьер, Сергиевский сосновый бор, родники Первомайский и Мурзинский, Лящевские и Таловые озера, озеро Гай, Рубежинский меловой карьер

С 1989 года в составе государственного степного заповедника «Оренбургский» функционирует участок «Таловская степь», площадью 3200 га.

Фотоальбом