塔里木盆地是大型封闭性山间盆地，地质构造上是周围被许多深大断裂所限制的稳定地块，盆地地势西高东低，微向北倾，旧罗布泊湖面高程780米，是盆地最低点。塔里木河位置偏于盆地北缘，水向东流。
盆地地貌呈环状分布，边缘是与山地连接的砾石戈壁，中心是辽阔沙漠，边缘和沙漠间是冲积扇和冲积平原，并有绿洲分布。塔里木河以南是塔克拉玛干沙漠，是中国最大沙漠，为居世界第2位的流动沙漠。塔里木盆地属于暖温带气候，年均温9～11℃，无霜期超过200天。自然灾害主要是风沙和干热风，以东北风和西北风为主，盆地边缘沙丘南移现象严重。
