Situada na "tromba do elefante", a região do Alto Oeste possui uma área territorial de 4 045,95 km², limitando-se a norte com a região do Médio Oeste (Chapada do Apodi), a sul e a leste com a Paraíba e a oeste com o Ceará.[1]
Grande parte desta região está inserida na Depressão Sertaneja-São Francisco, que compreende uma série de terrenos de transição entre o Planalto da Borborema e a Chapada do Apodi, além do Planalto da Borborema, que abrange os terrenos rochosos antigos, de maior altitude (serras de Martins, Luís e São Miguel), formados durante o período Pré-Cambriano.[1] Nesta região está localizada a Serra do Coqueiro, o ponto mais alto do Rio Grande do Norte, com 868 metros de altitude, próximo à tríplice divisa (RN-PB-CE), no município de Venha-Ver.[2]
O Alto Oeste possui todo o seu território localizado na bacia hidrográfica do Rio Apodi/Mossoró. Os maiores reservatórios da região são: Açude Pau dos Ferros, no município homônimo, com capacidade para 54,846 milhões de metros cúbicos (m³) de água; Açude Lucrécia, em Lucrécia (24 754 574 m³); Açude Marcelino Vieira, em Marcelino Vieira (11 200 125 m³); Açude Bonito II, em São Miguel (10,865 milhões de m³); Açude Jesus Maria José, em Tenente Ananias (9 639 152 m³); Açude Riacho da Cruz II, em Riacho da Cruz (9 604 200 m³); Açude Bodó, em Tenente Ananias (9 475 907 m³); Açude Flechas, em José da Penha (8 949 675 m³); Açude Santana, em Rafael Fernandes (sete milhões de m³); Açude Pilões, em Pilões (5 901 875 m³) e Açude Encanto, no município de mesmo nome (5 192 538 m³).[1][3]
Levando-se em conta apenas o regime de precipitação, o clima é tropical subúmido nas áreas de maior altitude e semiárido nas demais áreas. As temperaturas variam de 18 °C a 34 °C, sendo que em Martins elas podem chegar a até 15 °C nos meses mais frios. O Alto Oeste possui os maiores índices pluviométricos do interior do Rio Grande do Norte, superando 700 milímetros/ano (mm/ano)[4] e ultrapassando 1 000 mm/ano na serra de Martins. As chuvas são bastante irregulares e acontecem com maior frequência entre os meses de fevereiro e maio.
A população da região do Alto Oeste no censo demográfico de 2010 era de 196 291 habitantes, dos quais 127 158 viviam na zona urbana (64,8%) e 69 133 na zona rural (35,21%), resultando em uma densidade populacional de 48,52 hab./km². Entre os anos de 2000 e 2010, a região teve um aumento populacional de 6,23%.[5] Viçosa, com menos de dois mil habitantes, além de ser o município menos populoso da região, é também o menos populoso do Rio Grande do Norte.