Babək rayonu qərbdə Kəngərli rayonu ilə, şimal-şərqdə Şahbuz, şimalda Culfa, cənubda İran İslam Respublikası ilə, şimal-qərbdə isə Ermənistanla sərhəddir. Bölgənin relyefi şimalda Dərələyəz silsiləsinin yamaclarından, cənubda təpələrdən və Zəngəzur silsiləsindən, cənub-şərqdə Naxçıvan ovalığından, şərqdə  isə Gülüstan ovalığından ibarətdir. Ən yüksək dağ zirvəsi Buzqov dağ (2,475 m) sayılır. Babək rayonunun ərazisi daş, duz və tikinti materialları kimi faydalı qazıntılara zəngindir.
Burada Sirab, Vayxır, Cəhri, Qahab mineral bulaqları var.

   Rayonun inzibati ərazisini yarıya bölən əsas çayları Naxçıvançay və onun qolu olan Cəhriçaydir. Bu çaylar suvarmada böyük rol oynayır. Rayonun ərazisində Araz çayı üzərində yerləşən Araz su elektrik stansiyası, həmçinin Uzunoba, Nehrəm, Sirab, Cehri, Qahab və s. kimi su anbarları yerləşir.

   Babək rayonu 23 oktyabr 1978-ci ildə Naxçıvan rayonunun əvəzinə yaradılmışdır.