Нюксенский район занимает северо-восточную часть Вологодской области между 60°00' – 60°58' северной широты и 43°40' – 45°15' восточной долготы, с площадью 5115 кв. километров. Район граничит: на западе – с Тарногским районом, на севере – с Архангельской областью, на востоке – с Велико-Устюгским и Кичменгско-Городецким и на юге – с Тотемским и Бабушкинским районами.
Территория Нюксенского района в геологическом отношении принадлежит «пермской» системе. На территории района распространена пестроцветная мергелистая толща верхнепермского возраста (так называемый татарский ярус). Толща земли представлена горизонтально залегающими бурыми, розовыми, серыми, желтыми и беловатыми мергелями с прослойкой туфообразного, иногда мелоподобного известняка. На всем протяжении реки Сухоны, в пределах района, в ее обрывистых берегах и по притокам, от деревни Монастыриха до деревни Копылово, наблюдается залегание коренных пород, уходящих глубже меженного уровня Сухоны. Красоту 20–40-метровым скалам и утесам сухонских берегов придает темно-зеленая опушка хвойного и лиственного леса. За это в старину дали нашему благодатному краю название «Русской Швейцарии».
Из полезных ископаемых следует отметить кирпично-черепичные глины в районе деревни Большая Сельменьга. На базе залежей глины здесь в 1954 году пущен в эксплуатацию завод по производству кирпича. Песчано-гравийно-валунные материалы: обнажаются слои песков мощностью 27 метров на левом берегу Сухоны, ниже устья речки Сельменьги. Имеются выходы песков у деревень: Заболотье Востровского сельсовета; Устье-Городищенское, на левом берегу Сухоны, мощностью 20,5 метра; Норово Березовского сельсовета, на правом берегу речки Городищны, на глубине 1 метра под мореной, мощностью 25–30 метров. Пески пригодны для дорожного строительства. У деревни Брусенец разведан минеральный йодистый источник. В 1960-х годах промышленную разработку получили месторождения известняков для известкования почв около деревень Дунай Березовского сельсовета и Вострое, а также калийные соли в районе деревни Бобровское.
Поверхность района состоит из почв наносной формации различного механического состава. Среди почвообразующих пород преобладают: в южной части – валунные и безвалунные средние и легкие суглинки; в центральной части – до правобережной Сухоны – супеси и легкие суглинки; в северной (лесной) части – средние суглинки; по реке Уфтюге – валунные и безвалунные супеси и легкие опесчаненные суглинки.
Почвы района, особенно супесчаные и песчаные, бедны питательными веществами. Поэтому, только применяя местные и минеральные удобрения, можно увеличить урожайность зерновых и технических культур.
Поверхность района слабоволнистая и равнинная, местами изрезана протекающими речками – притоками реки Сухоны. Некоторые части района, особенно по правому берегу Сухоны, от речки Городищны до деревни Брусенец, настолько изрезаны долинами речек и ручьев, что рельеф местности становится сильно волнистым. В целом же поверхность района благоприятна для сельского хозяйства, но земельные угодья имеют небольшие размеры.
Климат в районе континентальный. По данным Нюксенской метеостанции, по наблюдениям и измерениям за 10 лет (1950–1959) и за 1979–1980 годы средняя температура воздуха составляет: в январе – минус 13–14 градусов, в июле – плюс 15–17, а за год – плюс 1,6 градуса. Безморозный период в среднем 100 – 105 дней. За год в среднем бывает 26–30 ясных, 180–200 пасмурных и до 90 дней с осадками, в основном в виде дождей и снега. Осадков выпадает 560–650 мм в год. Количество осадков в 1979 году было наибольшее: в июне – 111 мм, в июле – 82,5 и в августе – 27,8 мм; наименьшее: в феврале – 21,0 мм и в марте – 22,8 мм. В летние месяцы в районе преобладают северные ветры, которые умеряют жару, а в остальные месяцы года преобладают южные ветры, которые умеряют холод.
Летом в районе обычно тепло. Короткое лето – время бурного развития живой природы. В июне цветут клевер, ромашка, ландыш; в июле – гвоздика, валериана, лен и картофель, созревают земляника, черника и смородина, колосятся яровые культуры; в августе созревают черемуха и брусника. В этом месяце сеют озимые, начинают теребление льна, а с середины месяца – уборку зерновых культур: ржи, ячменя, овса и пшеницы. Лес дарит свои плоды – грибы и ягоды. В районе произрастают некоторые виды плодовых деревьев и ягодников.
В августе бывают первые заморозки, а с середины сентября начинается общий листопад. Для осени характерны частые продолжительные обложные дожди.
В конце октября появляется снег. С середины ноября образуется устойчивый снежный покров. Устанавливается санный путь. Снег лежит 160–170 дней, достигая на полях к концу зимы толщины 40–50 сантиметров. Снежный покров сходит в среднем во второй декаде мая.
Территорию района с юго-запада на северо-восток на протяжении 127 километров пересекает самая большая судоходная река Вологодской области – Сухона, общей длиной 563 километра и шириной от 105 до 3 15 метров. Сухона очень порожиста. Самое ложе реки в пределах района в основном сложено доломитизированными известняками, чем и объясняется слабая выработанность русла в этой части реки. Только между Тотьмой и Нюксеницей насчитывается более 30 опасных перекатов, которые в летнее время из-за обмеления реки затрудняют плавание судов. Река Сухона в разных местах имеет течение неодинаковой быстроты. Это объясняется различным спадом воды: наименьшее падение воды – 15 сантиметров, наибольшее – 60–70 сантиметров на километр. Все падение воды реки Сухоны от истока до города Великий Устюг равно 5-6 метрам, из которых 6 метров приходятся до города Тотьмы, а остальные 50 метров – ниже Тотьмы.
Средняя продолжительность навигации по Сухоне равна 181 дню. Отмечены случаи (1931 и 1969 годы) открытия «осенней», второй в году навигации. В эти годы после морозной погоды и ледостава наступала теплая погода. Навигация продолжалась еще в начале декабря и составила 210–220 дней соответственно в году. Ледоход по Сухоне продолжается от 3 до 5 дней, в основном в третьей декаде апреля.
В районе насчитывается до 20 речек, берущих начало из болот. Большинство из них несет свои воды в реку Сухону. Часть мелких речек принадлежит бассейнам рек Вага и Юг. Из крупных притоков правобережья Сухоны следует отметить речку Городищну, длиною 95 километров, Бобровку – 48 километров, Сельменьгу, Сученьгу и Брусенку – до 40 километров каждая, а в левобережье – Уфтюгу, длиною 106 километров. Эти реки широко используются для рыболовства, снабжения водой промышленных предприятий и населения района. В недалеком прошлом речки интенсивно использовались для сплава леса. В районе имеется 12 озер, из них наиболее характерны озера Рыбное и Темное площадью 11,32 и 8,36 гектара соответственно.
Речки района имеют большой период ледостава, который колеблется от 155 до 165 дней. Обычно реки замерзают в первой половине ноября, а вскрываются в третьей декаде апреля. В летний период, в жаркую погоду речки становятся мелководными. Воды рек и небольших озер богаты рыбой. Рыболовов особенно привлекают щука, лещ, хариус, голавль и налим. Рыбные богатства Сухоны оскудели. В старину было время, когда сотни живорыбных садков с сухонской стерлядью отправляли в разные города, теперь она встречается редко. Сокращение рыбных запасов в Сухоне объясняется заметным развитием пароходства с двигателями на жидком топливе и сплавом леса по реке, убивающими икру и молодняк, а также хищническим истреблением рыбы и браконьерством.
Район расположен в лесной зоне. Река Сухона разделяет район на две части: северную – подзона средней тайги, с преимуществом хвойных пород леса (ель и сосна) и южную – с преобладанием лиственных пород (ольха, осина и береза). Лиственная порода лесов в районе имеет подчиненную роль. К лиственным деревьям еще относятся – черемуха, рябина, ива, растущие в основном по берегам речек и ручьев. Леса до 1940-х годов занимали 312 тысяч гектаров, или 55 процентов площади района (для сравнения отметим: пашня и сенокос занимали 35300 гектаров и 26000 гектаров соответственно, или немногим более 10 процентов от всей площади района).
Около 11 процентов площади района занимают болота, верховые и низинные. Болота богаты разнообразными ягодами: черникой, брусникой и клюквой. Занимая большие пространства, болота делают их бесплодными для культурных растений и влияют на местный климат, увлажняя его и понижая температуру.
В лесах района обитает большое количество разных зверей. К числу наиболее ценных относятся: медведь, заяц, белка, куница, волк, горностай, выдра. Прежде в лесах района обитал ценный зверь – соболь, но теперь он совершенно исчез. С 1966 года в заказнике по речкам Кондас и Порша акклиматизируется речной бобр. Благодаря принятым мерам по охране лося, стадо их в районе значительно увеличилось, что позволило с 1970-х годов разрешить охоту и отстрел этого ценного зверя по государственным лицензиям.
В лесах нашего района в глубоком прошлом водились мамонты, носороги и другие животные. Обрушивающиеся берега рек нередко обнажают кости этих животных. Так, в Нюксенской волости (сельсовете) в речках Городищне и Кичуге неоднократно обнаруживали кости мамонта и носорога, которые переданы на хранение в краеведческие музеи города Великий Устюг и села Нюксеницы.
В районе обитает более 80 видов птиц, среди них промысловые: тетерева, рябчики, куропатки, гуси и утки.