吐鲁番盆地位于新疆东天山南坡的山间盆地。北部是博格达山的一段，西部是喀拉乌城山，高度在3500-4000米之间。而靠近盆地南麓最低处的艾丁湖，在海平面以下154米，是中国最低的洼地。
吐鲁番盆地是典型的地堑盆地，也是全国海拔最低的地方(-154.31m)，夏季气温最高的地方。大部分地面海拔不超过500米。20世纪80年代以来，通过营造防护林和加强灌溉管理，风沙得到初步控制，生态环境得到改善。
吐鲁番盆地在地质年代上经历了侏罗纪、白垩纪、第三纪和第四纪，是一个逐渐凹陷的古盆地。特别是在3000万年前的喜马拉雅造山运动期间，盆地北缘的博格达山急剧上升，而盆地南北缘的库鲁克塔格山略有上升，两山断裂崩塌，最终形成北高南低、西宽东窄的不对称盆地。中间有一座火焰山和博尔托乌拉山的残脉横穿境内，将当地分为南北两半。
