塔里木盆地是我国最大的内陆盆地，位于天山山脉和昆仑山脉之间，南北最宽处520千米，东西最长处1400千米，面积约40多万平方千米。塔里木盆地是大型封闭性山间盆地，地质构造上是周围被许多深大断裂所限制的稳定地块。
塔里木盆地地势西高东低，微向北倾，旧罗布泊湖面高程780米，是盆地最低点，塔里木河位置偏于盆地北缘，水向东流。
盆地地貌呈环状分布，边缘是与山地连接的砾石戈壁，中心是辽阔沙漠，边缘和沙漠间是冲积扇和冲积平原，并有绿洲分布。
塔里木河以南是塔克拉玛干沙漠，面积33.7万平方千米，占新疆面积20%，占中国沙漠和戈壁总面积26%，是中国最大沙漠。