中國最大的沙漠，亦為世界著名大沙漠之一。介於北緯36°50′～41°10′，東經77°40′～88°20′。位於中國最大的內陸盆地新疆塔裡木盆地的中部，北為天山，西為帕米爾高原，南為昆侖山，東為羅佈泊窪地，面積達33.7萬平方公裡。氣候極端乾旱，年降水量僅10～60毫米，而沙漠內部年降水量卻超過80毫米，高於沙漠邊緣的綠洲。熱量資源在中國各沙漠中占第1位，10℃以上的活動積溫一般在4000～5000℃，無霜期180～240天，年日照時數可達3000～35000小時。沙漠以流沙占絕對優勢，占整個沙漠面積的85％，且沙丘高大，除邊緣外，一般均在50～100米以上。
自然特征 幹旱河床遺跡幾乎遍佈於塔克拉瑪幹沙漠，湖泊殘餘則見於部分地區（如沙漠的東部等）。沙漠之下的原始地面是一系列古代河流沖積扇和三角洲所組成的沖積平原和沖積湖積平原。大致北部為塔裡木河沖積平原，西部為喀什噶爾河及葉爾羌河三角洲沖積扇，南部為源出昆侖山北坡諸河的沖積扇三角洲，東部為塔裡木河、孔雀河三角洲及羅佈泊湖積平原。沉積物都以不同粒徑所組成的沙子為主，沙漠南緣厚度超過150米。在沙漠2～4米、最深不超過10米的地下，有清澈豐富的地下水。
沙漠中某些河床沿岸及沖積扇緣分佈有以胡楊、紅柳等為主的天然植被，形成沙漠中零散狀斷續分佈的“天然綠洲”，如和田河及克裡雅河下遊等地。
塔克拉瑪幹沙漠除局部尚未為沙丘所覆蓋外，其餘均為形態復雜的沙丘所占。沙漠東部主要為延伸很長的巨大復合型沙丘鏈所組成，一般長5～15公裡，最長可達30公裡。寬度一般在1～2公裡，落沙坡高大陡峭，迎風坡上覆蓋有次一級的沙丘鏈。丘間地寬度為1～3公裡，延伸很長，但為一些與之相垂直的低矮沙丘所分割，形成長條形閉塞窪地，其間有沮洳地和湖泊等分佈。沙漠東北部湖泊分佈較多，但往沙漠中心則逐漸減少，且多已幹涸，沙漠中心東經82°～85°和沙漠西南部主要分佈復合型縱向沙壟，延伸長度一般為10～20公裡，最長可達45公裡。金字塔狀沙丘分佈或成孤立的個體（如於田、民豐間），或成串狀組成一狹長而不規則的壟崗（如且末、民豐間）。沙漠北部可見高大彎狀沙丘，西部及西北部可見魚鱗狀沙丘群。
塔克拉瑪幹沙漠景觀
塔克拉瑪幹沙漠地表景觀塑造的現代營力是風，在風作用下沙丘移動。根據沙丘運動速度可分為：①慢速的前移值為小於1米／年，如沙漠內部廣大地區。②中等速度的前移值為1～5米／年，如沙漠西部與北部等地。③較快的前移值為6～10米／年，如沙漠的西南與東南部等。④很快的前移值為大於10米／年，最大可在40米/年以上，如葉城皮山之間、且末若羌間、山前沙礫平原上的沙丘等。
景觀區 塔克拉瑪幹沙漠雖以流沙為主，但仍可劃分為：①具有風蝕雅丹和沙丘覆蓋的羅佈泊、孔雀河、塔裡木河下遊河湖平原。②流沙沙丘與灌叢沙堆覆蓋的阿爾金山—昆侖山山前洪積、沖積平原。③剝蝕低山與復合型沙丘覆蓋的麻紮塔格北部平原。④復合型沙丘覆蓋的倍爾庫姆。⑤灌叢沙丘及流動沙丘覆蓋的塔裡木平原。⑥具有“河谷天然綠洲”與高大沙山覆蓋的塔克拉瑪幹中部三角洲平原。⑦高大沙山覆蓋並有湖泊殘餘的塔克拉瑪幹東部平原。
1983年以來的地質勘測表明在茫茫大沙漠下，水、油、氣資源蘊藏十分豐富。1992年建成北起輪南，南達塔中，全長346公裡的塔克拉瑪幹沙漠公路。