Район расположен на юге Тюменской области, граничит на севере — с Уватским районом, на востоке — с Омской областью, на юго-востоке — с Викуловским районом, на юге — с Аромашевским, Сорокинским, Юргинским районами, на западе и северо-западе — с Ярковским и Тобольским районами области. Площадь территории — 18,4 тыс. км².
Главная река — Иртыш. Большая Супра, Киша — притоки Иртыша. Другие реки — Яузяк, Ашлык, Агитка — притоки Вагая. Территория района характеризуется обилием озёр. Самыми крупными считаются озёра Большой Уват, Ширшигуль, Карташево, Порай, Кульчан, Большой Тангуль, Арыкуль, Малый Уват, Щучье. В западной части района расположены озёра Урашное, Антипино, Дикое.
Вагайский район образован на основании постановления ВЦИК от 7 января 1932 года в составе Уральской области.
В район вошло 34 сельсовета из Дубровинского и Черноковского районов: Ашлыкский, Бакшеевский, Бегитинский, Бегишевский, Берёзовский, Быковский, Вагайский, Вершинский, Второсалинский, Домнинский, Дубровинский, Евстафьевский, Загваздинский, Казанский, Карагайский, Копотиловский, Лайминский, Ленинский, Малюгинский, Митькинский, Мысаевский, Первосалинский, Птицкий, Пузыревский, Ренчинский, Супринский, Сычёвский, Тукузский, Ушаковский, Фатеевский, Черёмуховский, Черноковский, Шестовский, Экстезерский.
Постановлениями ВЦИК от:
17 января 1934 года включён в состав Обско-Иртышской области.7 декабря 1934 года передан из упразднённой Обско-Иртышской области в состав Омской области.25 января 1935 года — во вновь образованный Дубровинский район переданы сельсоветы: Бекшеевский, Бегишевский, Берёзовский, Быковский, Второсалинский, Дубровинский, Загваздинский, Казанский, Карагайский, Мысаевский, Первосалинский, Ренчинский, Супринский, Фатеевский, Черемуховский, Экстезерский. В состав района вошли Александровский, Вагайский и Куларовский сельсоветы, переданные из Тобольского района. В связи с тем, что в районе стало два Вагайских сельсовета, один из них был переименован в Первовагайский, второй (переданный из Тобольского района) — во Второвагайский. 10 декабря 1935 г. вошёл в состав вновь образованного Тобольского административного округа. 4 декабря 1938 г. — Александровский сельсовет передан в Ярковский район.
14 августа 1944 года передан во вновь образованную Тюменскую область.
