Афанасьевский муниципальный округ расположен на северо-востоке Кировской области и граничит с Омутнинским районом, Верхнекамским округом Кировской области, с Сивинским районом Пермского края и Глазовским районом Удмуртской республики.
Связь с областным центром и ближайшей железнодорожной станцией Стальная (г. Омутнинск) осуществляется автомобильным транспортом.
В настоящее время по территории округа проходит автомобильная дорога федерального значения Р-243 «Кострома - Шарья - Киров - Пермь».
Территория муниципального образования относится к Верхнекамской возвышенности, поэтому рельеф на территории округа сильно изрезан. Местность холмистая. Преобладающими являются высоты 250-300 метров, достигая 337 метров над уровнем моря (самая высокая точка Кировской области – Красный Яр). Только на севере рельеф становится сглаженным.
Основной водной артерией округа является река Кама. Она протекает с юга на север. Правый берег высокий, поросший лесом, левый узкий, часто заболоченный. Длина береговой линии реки Камы составляет 223 км. Климат континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой и умеренно теплым летом.