Район расположен в восточной части Оренбургской области и занимает территорию площадью 2,96 тыс. км². Протяженность территории района с севера на юг составляет 120 км, с запада на восток — 59 км.
На западе район граничит с Кувандыкским районом, на востоке — с Кваркенским и Новоорским районами области. Северная граница района примыкает к территории республики Башкортостан. На юге на 33 км 830 м протянулась государственная граница с Казахстаном. С юго-востока к округу примыкают территории, подчиненные администрациям городов Орска и Новотроицка.
Район несколько раз менял название и 3 ноября 1960 года на основании Указа Верховного Совета РСФСР — Халиловский район был окончательно переименован в Гайский. 3 апреля 1959 года к нему был присоединён Новопокровский район[8].
9 марта 2005 года в соответствии с Законом Оренбургской области № 1922/359-III-ОЗ[9] муниципальное образование город Гай наделено статусом городского округа, а Гайский район наделён статусом муниципального района.
С 1 января 2006 до 1 января 2016 года в муниципальном районе выделялось 8 муниципальных образований со статусом сельских поселений (соответствовали сельсоветам)[10].
1 января 2016 года в соответствии с Законом Оренбургской области от 15 декабря 2014 года № 2825/782-V-ОЗ муниципальные образования Гайский район и все сельские поселения преобразованы путём объединения с городским округом город Гай в муниципальное образование Гайский городской округ[7][11].
В декабре 2018 года общественное движение «Свободный Идель-Урал» призвало власти Республики Башкортостан инициировать вопрос о передаче Гайского и Кувандыкского районов Оренбургской области в состав Республики Башкортостан, так как в них значительную долю населения составляют башкиры[12].
По данным переписи населения 1939 года из 19 200 человек: русские — 41 % или 7 863 чел., украинцы — 35,9 % или 6 883 чел., башкиры — 11,8 % или 2 262 чел[20].
Башкирские населенные пункты — Ишкинино, Ижберда, Малохалилово, Нарбулатово, Старохалилово, Нововоронежский. Татарские населенные пункты — Гайнулино, Узембаево(татаро-башкирское). Русско-башкирские — Хмелевка, Халилово.
Гайский район сельскохозяйственный. Производством продукции растениеводства и животноводства занимаются сельскохозяйственные предприятия и 50 крестьянских (фермерских) хозяйств. Производство яйца и комбикормов СПК "Птицефабрика Гайская"
В Гайском городском округе находятся курганные могильники Ишкининский I, Ишкининский II, Хмелевский и Мало-Каялинский. Также памятником археологии является Ишкининский рудник[22].
↑Ведомости Верховного Совета СССР. № 13 (945), 1959 г.
↑Закон Оренбургской области от 9 марта 2005 г. N 1922/359-III-ОЗ «О наделении муниципальных образований город Гай Оренбургской области статусом городского округа, Гайский район Оренбургской области статусом муниципального района и образовании муниципальных образований в составе муниципального образования Гайский район Оренбургской области»