中國第3大沙漠。位於北緯39°30′～42°，東經98°30′～104°，面積約4.43萬平方公裡。主要屬內蒙古額濟納旗和阿拉善右旗，東部小範圍屬阿拉善左旗。巴丹吉林系蒙古語，沙漠以一居民點而得名。
地質構造上屬阿拉善地塊，地貌形態緩和，主要為剝蝕低山殘丘與山間凹地相間組成，第四紀沉積物普遍覆蓋於地表，形成廣泛分佈的戈壁和沙漠。
在沙漠範圍內，除東、南、北部有小面積的準平原化基巖和殘丘丘外，廣大地區全為沙丘覆蓋，其中流動沙丘占83％。西部邊緣的古魯乃湖、北部的拐子湖、東部的庫乃頭廟附近有以梭棱為主的固定、半固定沙丘，面積約3000平方公裡，沙丘高大密集，其中高大沙山占沙漠總面積的61％，高度多在200～300米，最高可達500米，有疊置沙丘的復合型沙山、金字塔型沙山及無明顯疊置沙丘的巨大沙山等3種形式，單純的沙丘鏈所占面積較小。僅在沙漠的東南部，沙山之間分佈有許多內陸小湖（俗稱海子），約有144個，面積一般為1～1.5平方公裡，最大深度可達6.2米。多為咸水，不能飲用。湖周植物生長茂密，多為濕生、鹽生等類型，常以湖水為中心與周圍沙丘呈同心圓狀分佈，接近沙丘的地段出現以沙生植物為主的固定、半固定沙堆。海子周圍常為牧場及聚落所在。
巴丹吉林沙漠東南部的沙丘復合體
沙漠地區屬大陸性氣候，年降水量50～60毫米，年均溫7～8℃，絕對最高溫37～41℃，絕對最低溫-37～-30℃，沙面溫度達70～80℃。年均風速4米／秒，八級大風日為30天左右，主要為西北風。沙丘上植物較少。僅於沙丘下部或丘間低地生長有稀疏灌木、半灌木，除梭梭林外，主要生長有沙拐棗、沙竹、霸王、木蓼、沙蒿、檉柳、沙蔥等，蓋度多在5％左右，在沙山與湖泊間常出現有白刺沙堆。
巴丹吉林沙漠平均每10平方公裡不到1人。在整個沙漠內部，僅有巴丹吉林廟和庫乃頭廟兩大居民點。基本無種植業。全部經營牧業，駱駝為該地主要傢畜，數量居全國各旗縣之冠；次為山綿羊。沙漠內部無固定道路，橫穿腹部異常困難，中部及東北部基本為無水區。東南部的雅佈賴鹽湖盛產食鹽，西部的古魯乃湖及巴丹吉林廟附近的一些湖泊內有碳酸鈉的沉積。