中國第2大沙漠。介於北緯44°15′～46°50′，東經84°50′～91°20′。位於準噶爾盆地的中央，面積4.88萬平方公裡。由4片沙漠組成，西部為索佈古爾佈格萊沙漠，東部為霍景涅裏辛沙漠，中部為德佐索騰艾裏松沙漠，其北為闊佈北—阿克庫姆沙漠。
準噶爾盆地屬溫帶乾旱荒漠。年降水量70～150毫米，冬季有積雪。降水春季和初夏略多，年中分配較均勻。沙漠內部絕大部分為固定和半固定沙丘，其面積占整個沙漠面積97％，形成中國面面積最大的固定、半固定沙漠。固定沙丘上植被覆蓋度40～50％，半固定沙丘達15～25％，為優良的冬季牧場。沙漠內植物種類較豐富，可達百餘種。植物區系成分處於中亞向亞洲中部荒漠的過渡。沙漠的西部和中部以中亞荒漠植被區系的種類占優勢，如白梭梭、苦艾蒿、白蒿、囊果苔草和多種短命植物等；在沙漠東部和南部邊緣，亞洲中部植物區系種類較多，如梭梭、蛇麻黃、花棒等。古爾班通古特沙漠的梭梭分佈面積達100萬公頃，在古湖積平原和河流下遊三角洲上形成“荒漠叢林”。
沙漠的沙粒主要來源於天山北麓各河流的沖積沙層。沙漠中最有代表性的沙丘類型是沙壟，占沙漠面積的50%以上。沙壟平面形態成樹枝狀。其長度從數百米至十餘公裡，高度自10～50米不等，南高北低。在沙漠的中部和北部，沙壟的排列大致呈南北走向，沙漠東南部成西北—東南走向。在沙漠的西南部分佈著沙壟－蜂窩狀沙丘和蜂窩狀沙丘，南部出現有少數高大的復合型沙壟。流動沙丘集中在沙漠東部，多屬新月形沙丘和沙丘鏈。沙漠西部的若幹風口附近，風蝕地貌異常發育，其中以烏爾禾的“風城”最著名。
沙漠中風沙土廣泛分佈。沙漠南緣平原上發育灰棕漠土，1949年後已大量開墾。人為活動破壞瞭天然植被，造成沙漠邊緣流沙再起和風沙危害。沙漠西緣有甘傢湖梭梭林自然保護區，為中國唯一以保護荒漠植被而建立的自然保護區。
在準噶爾盆地西北部有大型鹽礦，年產原鹽40萬噸。