吐鲁番盆地东西长约245公里，南北宽约75公里，面积约5万平方公里。盆地内部地形以洪积扇和冲积平原为主，地势由北向南倾斜，北部博格达峰海拔5445米，与艾丁湖形成超过5600米的垂直高差，地貌景观极具反差。盆地年均降水量仅16毫米，蒸发量却高达3000毫米以上，极端干旱的气候造就了世界上最典型的大陆性荒漠环境。
作为古丝绸之路北道的重要枢纽，吐鲁番盆地拥有交河故城、高昌故城等世界文化遗产。其特殊的地理环境孕育了独特的绿洲农业，坎儿井水利工程将天山雪水引入盆地，滋养出闻名世界的吐鲁番葡萄和哈密瓜。夏季极端高温时，盆地记录的最高气温达49.6℃，地表温度超过80℃，故有"火洲"之称。
盆地内的艾丁湖是中国陆地最低点，湖盆东西长约40公里，南北宽约8公里，湖床大部为盐滩和盐沼覆盖。随着气候变迁和人类活动影响，湖面面积从20世纪50年代的152平方公里萎缩至不足10平方公里，成为生态环境演变的敏感指示器。