吐鲁番盆地坐落在我国西北的天山脚下。它东西长245公里，南北宽75公里，面积约5万平方公里，有半个江苏省那么大。其边缘被群山环抱，北部的博格多峰（海拔5445米）为最高；中部因极度下陷，地势低洼，许多农田、村落都在海平面以下；南部山麓的艾丁湖，湖面低于海平面154米，是我国陆地的最低点。如果从地形单元来看，吐鲁番盆地算得上世界最低的盆地。
吐鲁番盆地低洼而较闭塞的地形，加上极端的干旱，使它成为我国著名的火州。这里一年之中有半年处于炎热的夏季，每年6月至8月，气温持续在38℃以上，甚至出现过47.8℃的全国最高气温纪录。特别是横亘在盆地中部的一条红砂岩山（高约500米），每当夏季，被烈日炙烤得烟云缭绕，状似火焰喷吐，地表温度多在70℃以上，最高达82.3℃！我国古典神话小说《西游记》中的火焰山，指的就是这里（当地称克孜勒塔格，即红山）。
吐鲁盆地的气候虽然炎热干燥（年平均降水为16毫米左右），但由于盆地中发源于天山的河流有高山冰雪水的供应，流水不断，更有相当可观的泉水和地下水，单火焰山各河流的年总径流量就占天山水系水量的一半以上。当地劳动人民创造了独特的坎儿井灌溉方式，现在已达1100多条，总长度比我国的京杭大运河还要长得多。这里的葡萄、哈密瓜已有近两千年的栽培历史，无核白葡萄和马奶子葡萄驰名中外，长绒棉的品质居我国之首位。火焰山下还发现了煤、铁、云母、石油等矿产资源。