Павловський район розташований в центрі південної частини Воронезької області. Межує з Ліскінським, Бутурлинівським, Воробйовським, Подгоренським, Калачєєвським, Розсошанським та Верхньомамонським районами області. Із західного боку межа району проходить по річці Дон. Площа району - 1900 км².