吐鲁番盆地是世界面积最低的盆地，大部分地面在海拔500米以下。吐鲁番盆地位于新疆天山东部南坡，四周山地环绕，也是中国最低的洼地。
吐鲁番盆地四周为山地环绕，吐鲁番盆地位于（90E°、43N°）附近，北部的博格达山和西部的喀拉乌成山一段，高度都在3500～4000米之间。其中博格达峰海拔5445米。南部的觉罗塔格山，一般在1500米以下。而紧邻盆地南部山麓的最低部分的艾丁湖面却低于海面154米，是中国最低的洼地。
如果以周围山脊线为界，面积50140平方千米，其中低于海平面以下的面积有4050平方千米，艾丁湖洼地低于海平面154米，是中国大陆的最低处，盆地边缘群山环抱，最高的博格达峰终年积雪。
盆地中部低于海平面的约占4000平方千米，艾丁湖面-154米，湖底-161米。盆地中部有二列东西向低山，北为火焰山，低于900米；南为觉罗塔格山，约1000～1500米；两者之间为绿洲。
吐鲁番盆地经历了地质年代的侏罗纪、白垩纪、第三纪、第四纪，是一个逐渐凹陷的古老盆地，特别是在距今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上升幅度较小，两山之间断裂陷落，最终形成了北高南低、西宽东窄的不对称盆地。中部有火焰山和博尔托乌拉山余脉横穿境内，把本地区分成南、北两半。
这里大部分属于山倾斜平原，堆积着大面积细土质冲积物，因火焰山横卧在盆地中央，使潜水位抬高，在山体的南北缘形成一个溢出带，造就了南、北两部分绿洲，成为吐鲁番盆地各族人民世代繁衍生息的基础。吐鲁番盆地山区面积为9850平方公里，平原面积为59863平方公里。
吐鲁番盆地属大陆荒漠性气候，干旱炎热，年降水量约16毫米，蒸发量高达3000毫米，夏季最高气温有过49.6℃的纪录，6～8月平均最高气温都在38℃以上。中午的沙面温度，最高达82.3℃，因此这里自古有“火洲”之称。
吐鲁番盆地四周环山，中间低凹，地表辐射的热量不易散发，是中国著名的干热区，历史上极端高温达47.8℃。盆地内干燥少雨，全年日照时数3200小时，年均降水量16毫米，年蒸发能力达2539.4毫米以上，无霜期达210天。境内有三十里风区和百里风区，素有“风库”之称。优越的光热条件和独特的气候，使这里盛产葡萄、哈密瓜、反季节蔬菜等经济作物，是名副其实的“瓜果之乡”。
