Kostanaj oblast grenser til Russland i nord (oblastene Orenburg oblast, Tsjeljabinsk oblast, Kurgan oblast) og ligger nær Uralfjellene. Det grenser også til de kasakhstanske oblastene Aktobe oblast i sørvest, Karagandy oblast i sør, Akmola oblast i sørøst og Nord-Kasakhstan oblast i nordøst. Elven Tobol, en sideelv til Irtysj, har sin kilde her og renner inn i Russland. Kostanaj har et areal på 197 000 km² og er det sjette største oblastet i landet.