位于阿尔泰山与天山之间，西侧为准噶尔西部山地，东至北塔山麓。南北宽450公里，东西长700公里，面积18万平方公里，沙漠占30%。地势向西倾斜，北部略高于南部，北部的乌伦古湖（布伦托海）湖面高程479.1米，中部的玛纳斯湖湖面270米，西南部的艾比湖湖面189米，是盆地最低点。盆地西侧有几处缺口，如额尔齐斯河谷，额敏河谷及阿拉山口。西风气流由缺口进入，为盆地及周围山地带来降水。

　　地质与地貌：准噶尔盆地在地质构造上为古陆台。中生代砂岩覆盖在古生代基底上，从北向南增厚，北部厚700米，南部增至3000～4000米，含有煤和石油。新生代地层亦向南增厚，北部不到450米，南部拗陷中心均超过1000米；其中第四纪沉积可分3带，沿天山北麓的山前拗陷带厚500米，中部厚约100米，北部为相对上升部分。

　　盆地内地貌，平原可分为两区。北起阿尔泰山南麓，南抵沙漠北缘的北部平原，风蚀作用明显，有大片风蚀洼地。南部平原南起天山北麓，北至沙漠北缘、可分两带，北带为沙漠，南带为天山北麓山前平原，是主要农业区。

　　古尔班通古特沙漠是中国第二大沙漠，固定和半固定沙丘占优势，流动沙丘仅占3%。沙漠区年降水量约100毫米，冬季有稳定积雪，在固定沙丘上植被覆盖度约40～50%，在半固定沙丘上约20%。丘间洼地生长牧草，夏季缺水，曾作冬季牧场，现已定点打井，夏季亦可放牧。

　　光热资源与自然灾害盆地属中温带气候。太阳年总辐射量约565千焦耳/平方厘米，年日照时数北部约3000小时，南部约2850小时。盆地北部西部年均温3～5℃，南部5～7.5℃。盆地东部为寒潮通道，冬季为中国同纬度最冷之地，富蕴1月均温为-28.7℃。10℃以上活动积温3000～3500℃，持续150～170天，无霜期除东北部为100～135天外，大多达150～170天。年均温日较差12～14℃。

　　主要自然灾害有冻害和大风。约4～5年有一次较大范围的冬麦冻害，10年有一次较重的果树冻害。牲畜冻害主要发生于盆地中心的冬牧场。如1974年冬至1975年春，盆地南部冻死冬麦13.33万余公顷，盆地中心牧区牲畜大量死亡。盆地北部每年有8级以上的大风天数33～77天，西部70天以上，阿拉山口165天。由于盆地植被覆盖度较大，虽大风天数多，沙丘移动现象却较塔里木盆地为少。但局部地区，如艾比湖东南沙泉子至托托，有新月形沙丘27座，大风移动沙丘，阻塞交通，危害农田。额尔齐斯河谷亦有沙丘多处，冬季风大，不能形成稳定积雪，春季作物难以生存。

　　水分来源与水资源主要来自西风气流。降水西部多于东部，边缘多于中心，迎风坡多于背风坡。

　　盆地冬季有稳定积雪，冬春降水量占年总量30～45%。除额尔齐斯河为外流河外，盆地其他河流均为内陆河，以盆地低洼部位为归宿。河流补给主要来自山区，春季平原融雪水亦有补给。按河流出山口处流量计算，共有年径流量210亿立方米（不包括伊犁河及塔城盆地河流），其中额尔齐斯河流出国境水量100亿立方米。额尔齐斯河是新疆第二大河，支流都源于阿尔泰山南坡。盆地的内陆河有4排水区：

　　（1）乌伦古湖。为乌伦古河尾闾。

　　（2）艾比湖。汇纳博尔塔拉、奎屯及精河等河。

　　（3）玛纳斯湖。汇纳玛纳斯、金沟、巴音、塔西等河，源于准噶尔西部山地的10多条小河，曾以玛纳斯河为尾闾。

　　（4）天山北坡独立水系。包括呼图壁至木垒的所有河流，都消失于灌区中。由于灌区引水，入湖水量均急剧减少。

　　盆地地下水的补给来源主要来自山口以下河床、渠道及田间渗漏，共有动储量25亿立方米。从农业用水供需关系看，基本无缺水之虞。

　　土地资源与农业潜力盆地北部主要土壤是棕钙土，局部地区还有栗钙土、龟裂土、沼泽土、草甸土和盐土。盆地南部的北带以荒漠灰钙土为主，南带以棕钙土为主，冲积扇缘有草甸沼泽土和草甸盐土，扇缘以下为盐碱化的荒漠灰钙土。由于水源限制，要使全部土地（约0.18亿公顷）都有灌溉，尚有困难。在合理利用自然资源和保护自然环境方面，需注意：

　　（1）提高光能利用率。

　　（2）总结经验，根据农业气候条件重新考虑冬麦合理布局。

　　（3）营造防护林带。

　　（4）争取尽早实现额尔齐斯河水南调工程。

　　经勘探证明，盆地已展现了可喜的石油开发前景。盆地东部海拔540米的风蚀洼地内，发现有世界罕见的千余株硅化木。