Rayonun ərazisi uzun müddət eramızdan əvvəl IV əsrin sonu III əsrin əvvələrində yaranmış Albaniya dövlətinin tərkibində olmuşdur. Tarixi faktlar sübut edir ki, Cavanşirin mənsub olunduğu Mehranilər Girdiman knyazlığını məhz İsmayıllı ərazisində yaratmışdır. Cavanşir də bu nəsildən idi. Rayonun ərazisində Talıstan kəndində 4 km şimalda, Ağçayın sahilində Cavanşirin adı ilə bağlı qala mövcuddur. Azərbaycanın şimal-mərkəz hissəsində yerləşən İsmayıllı rayonu 1931-cü ildə təşkil olunmuşdur. İlk vaxtlar rayonun inzibati mərkəzi Basqal kəndində olmuş, qısa müddətdən sonra İsmayıllı kəndinə köçürülmüşdür. Rayon təşkil edilənədək onun ərazisinin böyük bir hissəsi Göyçay qəzasının, bir hissəsi Şamaxı qəzasının, kiçik bir hissəsi isə Şəki qəzasının tərkibində olub. İsmayıllı şəhəri 1959-cu ilə qədər kənd, 1967-ci ilə qədər şəhər tipli qəsəbə olmuş, sonra şəhər adını almışdır
İsmayıllı rayonu əsasən Baş Qafqaz silsiləsinin cənub yamacında, yüksək və orta dağlıq qurşaqda, Acınohur alçaq dağlığında və Alazan Həftəran vadisində yerləşir. Rayonun ərazisində ən yüksək zirvələr Baş Suayrıcı silsiləsində Babadağ zirvəsi (3629 m), Əsəddağ (3471 m), Qaraburğa (3345 m), Şahnəzərdağ (2874 m) və Qəmçə dağıdır (2139 m.). Baş Suayrıcı silsiləsinə paralel olaraq cənubda Qovdağ silsiləsi (Qovdağ zirvəsi 2437 m) və Niyaldağ silsiləsi (Yelligədik zirvəsi – 2322 m) yerləşir. Niyal silsiləsi Göyçay və Ağsuçay dərələri arasında yerləşən “Horst – antiklinorium” formalı relyef əmələ gətirərək cənubdan və şimaldan uzun tektonik qırılmalarla əhatələnir və onun yamacında laylar dik yatır. Orta dağlıqda Lahıc və Müdrü dağarası çökəklikləri geniş sahə tutur. Relyef Girdimançay dərəsindən şərqə alçalaraq Şamaxı-Qobustan yaylasına keçir.