Район, площадью 3,3 тыс. км², расположен в центральной Бурятии. Граничит на северо-востоке с городским округом Улан-Удэ (Октябрьский район), на востоке — с Заиграевским, на юге — с Мухоршибирским, на западе — с Селенгинским, на северо-западе, по реке Селенге — с Иволгинским районами.Входит в состав Улан-Удэнской агломерации.
В 1826 году в Тарбагатайской волости Верхнеудинского округа Иркутской губернии было: селений — 13, домов в селениях обывательских деревянных — 835, домов общественных деревянных — 6, церквей греко-российских деревянных — 2, мельниц водяных — 5, мельниц ветряных — 1, кузниц — 16, питейных домов — 3, магазинов хлебных с сельскими запасами — 13. Больших дорог 110 вёрст, 10 мостов, 1 перевоз (переправа).
В Тарбагатайскую волость входили селения: Тарбагатай, Жирим, Бурнашево, Десятниково, Барское, Куналей, Пестерево, Надеино, Куйтун, Старая Брянь, Новая Брянь, Тальцы, Саянтуй.
В волость ссылались участники польских восстаний: Шимон Кржечковский (Тарбагатай), Антон Сулемирский (Куналей), Карл Тодинский (Пестерево), Феофил Бембновский (Пестерево), Филипп Гродницкий (Пестерево), Леопольд Добрский, Мечислав Зарембский (Куналейская волость), Андрей Козьминский (Барское).
В ноябре 1868 года был построен Николаевский винокуренный завод № 21 (современный посёлок Николаевский). Завод принадлежал купцу 1-й гильдии И. Ф. Голдобину.
В 1878 году в Тарбагатайской волости проживало 15 635 человек.
В 1891 году на территории современного Тарбагатайского района находились волости Верхнеудинского округа Забайкальской области: Тарбагатайская, Ключевская, Куйтунская, Куналейская.
В 1903 году в Тарбагатайской волости работали Тарбагатайская одноклассная церковно-приходская школа, Пестеревское одноклассное училище, Десятниковское одноклассное училище, Бурнашевская школа грамоты, в которых обучалось 142 человека.
В период гражданской войны в 1919 году в сёлах Бурнашево, Нижний Жирим, Тарбагатай, Десятниково были созданы партизанские отряды
Тарбагатайский аймак Бурят-Монгольской АССР был образован 1 октября 1923 года[11].
29 августа 1939 года из Тарбагатайского аймака во вновь образованный Иволгинский аймак переданы два населённых пункта[11].
8 декабря 1960 года село Ганзурино и посёлок станции Ганзурино Оронгойского сомсовета Селенгинского аймака переданы в состав Тарбагатайского аймака[11].
1 февраля 1963 года Указом Президиума Верховного Совета РСФСР аймак был упразднён и передан во вновь образованный на базе трёх аймаков (Иволгинского, Тарбагатайского и Заиграевского) Улан-Удэнский аймак[11].
В октябре 1977 года Улан-Удэнский аймак Бурятской АССР переименован в Улан-Удэнский район.
15 августа 1985 года в соответствии с указом Президиума Верховного Совета РСФСР Тарбагатайский район был восстановлен в прежних территориальных границах[11].
14 октября 1991 года посёлок Забайкальский из Тарбагатайского района передан в Улан-Удэнский горсовет
