Utenos rajono reljefui, kuris formavosi vėlyvuoju ledynmečiu paskutinio ledyno pakraštyje, būdingos mažos kalvos ir daubos. Jos nevienodos savo forma: vienos apskritos, kitos pailgos, vienur pavienės, kitur sudaro kalvų ir dubumų grandines. Apie Tauragnus, Saldutiškį, Pakalnius kalvų santykinis aukštis šokteli iki 25 m. Aukščiausios kalvos ties Tauragnais: Taurapilio kalnas virš jūros lygio iškilęs 246 m.
Pro rajoną teka Šventoji ir jos kairysis intakas Vyžuona. Telkšo 185 Utenos rajono ežerai (didžiausi – Alaušas, Tauragnas, Indrajai, Utenas), 4 tvenkiniai. Daugelis ežerų ir pelkių sujungti mažais vingiuotais upeliais, smarkiai patvinstančiais pavasarį ir beveik išdžiūstančiais vasarą. Pastovesnio vandeningumo tik Alauša, Tauragna, Vyžuona ir Šventoji. Miškai užima beveik 29,3 % viso rajono ploto. Prie pat Utenos ošia Rašės ir Skaistašilio miškai. Didžiausi miškai – Minčios, Vyžuonų. Medžių rūšinė sudėtis labai įvairi. Be pušų, paplitusios eglės, beržai, baltalksniai, juodalksniai, ąžuolai, drebulės, uosiai, liepos. Ąžuolų giraitės išlikusios prie Pakalnių ir Ąžuolijos miške šalia Utenos. Užliejamos pievos derlingos, bet jų nedaug – tik prie Šventosios ir Vyžuonos upių.
Utenos rajonas − vienas iš respublikos rajonų, kuriuose ryškiausiai pastebimi temperatūros svyravimai. Čia anksčiausiai respublikoje susidaro sniego danga, įšąla dirvožemis ir vidutinė paros temperatūra pereina į minusinę. Žiemos, palyginti su kitais rajonais, šaltesnės. Vasaros nelabai karštos ir gana lietingos.