İlçenin yüzölçümü 770 km², rakımı 625 m. dir. Orta Karadeniz Bölgesi ile İç Anadolu Bölgesinin kesim noktasında Köroğlu Dağlarının doğuya uzantısı ile İç Anadolu’ nun Orta Kızılırmak Bölümünde yer alır. Çorum’a uzaklığı 83 km dir. Yılık ortalama yağış miktarı 445,2 mm.’dir.
İlçedeki en önemli akarsu Karatepe ve Öbek Tepesinden çıkan kar suları ile beslenen Kuzeyden güneye doğru 45 km lik bir vadi oluşturan ve Kızılırmak’a dökülen Bayat Çayıdır. İlçenin kuzeyinde 2013 m yüksekliğinde Öbek Tepesinin yer aldığı Karatepe mevcuttur. Kuzeyden güneye doğru gidildikçe rakım küçülerek 500 m ye kadar düşmektedir. Bu nedenle İlçe kuzeyi dağlık, güneyi küme halinde tepelerin ve kısmen ovaların yer aldığı kırık,dalgalı ve engebeli bir arazi yapısına sahiptir.İlçenin kuzeyinde yer alan dağlık ve ormanlık kesimde Karadeniz iklimi, güneyde ise, karasal iklim hüküm sürmektedir. İlçe iki iklim arasında geçiş bölgesinde yer almaktadır. Bu sebeple yazlar sıcak ve kurak, kışlar soğuk ve kar yağışlı geçer.Yağışlar düzenli olmayıp, en çok ilkbahar mevsiminde yağış almaktadır. İlçenin dağlık kesimi genelde çam ve meşe ormanı ile kaplıdır. Ovalık kesimde ise bozkırlar yer almaktadır.