Wilaya ya Kilombero imepakana na Wilaya za Kilosa na Kilolo; na upande wa Kusini umepakana na Wilaya ya Ulanga. Kwa upande wa Mashariki imepakana na Wilaya ya Morogoro Vijijini na Magharibi imepakana na Wilaya za Njombe na Mufindi.

Hali ya hewa ya Wilaya hii ni ya joto mithili ya pwani kwa wastani wa 26 o – 32 o C . Wilaya ina vipindi viwili vya mvua ambavyo ni mvua za vuli na mvua za masika. Mvua za vuli huanza kunyesha mwezi Novemba na kuishia miezi ya Januari au Februari. Mvua za masika huanza mwezi Machi na kwisha mwezi Mei au Juni kila mwaka. Wastani wa mvua ni kati ya milimita 1200 hadi 1600.