吐魯番盆地坐落在我國西北的天山腳下。它東西長245公里，南北寬75公里，面積約5萬平方公里，有半個江蘇省那麼大。其邊緣被群山環抱，北部的博格多峰為最高；中部因極度下陷，地勢低窪，許多農田、村落都在海平面以下；南部的山麓的艾丁湖，湖面低於海平面154米，是我國陸地的最低點。如果從地形單元來看，吐魯番盆地算得上世界最低的盆地。
吐魯番盆地低窪而較閉塞的地形，加上極端的乾旱，使它稱為我國著名的「火州」。這裡一年之中有半年處於炎熱的夏季，每年6月至8月，氣溫持續在38℃以上，甚至出現過47.8℃的全國最高氣溫紀錄。