吐鲁番盆地四周为山地环绕,吐鲁番盆地位于(90E°、43N°)附近,北部的博格达山和西部的喀拉乌成山一段,高度都在3500~4000米之间。其中博格达峰海拔5445米。南部的觉罗塔格山,一般在1500米以下。而紧邻盆地南部山麓的最低部分的艾丁湖面却低于海面154米,是中国最低的洼地。
如果以周围山脊线为界,面积50140平方千米,其中低于海平面以下的面积有4050平方千米,盆地边缘群山环抱,最高的博格达峰终年积雪。盆地中部有二列东西向低山,北为火焰山,低于900米;南为觉罗塔格山,约1000~1500米;两者之间为绿洲。
火焰山为天山南麓冲积扇,多砾石戈壁,地下水丰富,坎儿井(地下引水渠道)从此开始引水。盆地降水稀少,平均年降水吐鲁番城16.4毫米,托克逊城6.9毫米,北部山地300~400毫米,高峰有积雪,为盆地主要灌溉水源,故盆地三个主要绿洲(吐鲁番、鄯善、托克逊)均位於接近水源的中部偏北。
吐鲁番盆地属大陆荒漠性气候,干旱炎热,年降水量约16毫米,蒸发量高达3000毫米,夏季最高气温有过49.6℃的纪录,6~8月平均最高气温都在38℃以上。中午的沙面温度,最高达82.3℃,因此这里自古有“火洲”之称。
日照时间长,全年约3200小时,无霜期210天左右。由于盆地气压低,吸引气流流入,这里也是中国有名的“风库”。达坂城吹下的春季风暴,每秒达50米,七角井吹下的大风,曾吹翻过车辆。
吐鲁番盆地属于独特的暖温带干旱荒漠气候。主要特点是:干燥、高温、多风。盆地内,年日照时数长;蒸发量大;降水量少但局地性强。火焰山以南夏季漫长而酷热,冬少严寒,风小雪少。春季升温迅速而不稳定,干燥少雨,风多力强。秋季秋高气爽,降温迅速,温差大。与山南相比火焰山以北四季分明,冬多严寒,夏少酷热,降水量偏多。春、秋两季较山南长半个月。