位於阿爾泰山脈與天山山脈之間，西側為準噶爾西部山地，東至北塔山麓。南北寬450公裡，東西長700公裡，面積18萬平方公裡，沙漠占30％。地勢向西傾斜，北部略高於南部，北部的烏倫古湖（佈倫托海）湖面高程479.1米，中部的瑪納斯湖湖面270米，西南部的艾比湖湖面189米，是盆地最低點。盆地西側有幾處缺口，如額爾齊斯河穀，額敏河谷及阿拉山口。西風氣流由缺口進入，為盆地及周圍山地帶來降水。
地地質與地貌 準噶爾盆地在地質構造上為古陸臺。中生代砂巖覆蓋在古生代基底上，從北向南增厚，北部厚700米，南部增至3000～4000米，含有煤和石油。新生代地層亦向南增厚，北部不到450米，南部拗陷中心均超過1000米；其中第四紀沉積可分3帶，沿天山北麓的山前拗陷帶厚500米，中部厚約100米，北部為相對上升部分。
盆地內地貌，平原可分為兩區。北起阿爾泰山南麓，南抵沙漠北緣的北部平原，風蝕作用明顯，有大片風蝕窪地。南部平原南起天山北麓，北至沙漠北緣、可分兩帶，北帶為沙漠，南帶為天山北麓山前平原，是主要農業區。古爾班通古特沙漠是中國第二大沙漠，固定和半固定沙丘占優勢，流動沙丘僅占3％。沙漠區年降水量約100毫米，冬季有穩定積雪，在固定沙丘上植被覆蓋度約40～50％，在半固定沙丘上約20％。丘間窪地生長牧草，夏季缺水，曾作冬季牧場，現已定點打井，夏季亦可放牧。
光熱資源與自然災害 盆地屬中溫帶氣候。太陽年總輻射量約565千焦耳/平方厘米，年日照時數北部約3000小時，南部約2850小時。盆地北部西部年均溫3～5℃，南部5～7.5℃。盆地東部為寒潮通道，冬季為中國同緯度最冷之地，富蘊1月均溫為-28.7℃。10℃以上活動積溫3000～3500℃，持續150～170天，無霜期除東北部為100～135天外，大多達150～170天。年均溫日較差12～14℃。
主要自然災害有凍害和大風。約4～5年有一次較大范圍的冬麥凍害，10年有一次較重的果樹凍害。牲畜凍害主要發生於盆地中心的冬牧場。如1974年冬至1975年春，盆地南部凍死冬麥13.33萬餘公頃，盆地中心牧區牲畜大量死亡。盆地北部每年有8級以上的大風天數33～77天，西部70天以上，阿拉山口165天。由於盆地植被覆蓋度較大，雖大風天數多，沙丘移動現象卻較塔裡木盆地為少。但局部地區，如艾比湖東南沙泉子至托托，有新月形沙丘27座，大風移動沙丘，阻塞交通，危害農田。額爾齊斯河谷亦有沙丘多處，冬季風大，不能形成穩定積雪，春季作物難以生存。
水分來源與水資源 主要來自西風氣流。降水西部多於東部，邊緣多於中心，迎風坡多於背風坡。
盆地冬季有穩定積雪，冬春降水量占年總量30～45%。除額爾齊斯河為外流河外，盆地其他河流均為內陸河，以盆地低窪部位為歸宿。河流補給主要來自山區，春季平原融雪水亦有補給。按河流出山口處流量計算，共有年徑流量210億立方米(不包括伊犁河及塔城盆地河流)，其中額爾齊斯河流出國境水量100億立方米。額爾齊斯河是新疆第二大河，支流都源於阿爾泰山南坡。盆地的內陸河有4排水區：①烏倫古湖。為烏倫古河尾閭。②艾比湖。匯納博爾塔拉、奎屯及精河等河。③瑪納斯湖。匯納瑪納斯、金溝、巴音、塔西等河，源於準噶爾西部山地的10多條小河，曾以瑪納斯河為尾閭。④天山北坡獨立水系。包括呼圖壁至木壘的所有河流，都消失於灌區中。由於灌區引水，入湖水量均急劇減少。
盆地地下水的補給來源主要來自山口以下河床、渠道及田間滲漏，共有動儲量25億立方米。從農業用水供需關系看，基本無缺水之虞。
土地資源與農業潛力 盆地北部主要土壤是棕鈣土，局部地區還有栗鈣土、龜裂土、沼澤土、草甸土和鹽土。盆地南部的北帶以荒漠灰鈣土為主，南帶以棕鈣土為主，沖積扇緣有草甸沼澤土和草甸鹽土，扇緣以下為鹽堿化的荒漠灰鈣土。由於水源限制，要使全部土地（約0.18億公頃）都有灌溉，尚有困難。在合理利用自然資源和保護自然環境方面，需註意：①提高光能利用率。②總結經驗，根據農業氣候條件重新考慮冬麥合理佈局。③營造防護林帶。④爭取盡早實現額爾齊斯河水南調工程。
經勘探證明，盆地已展現瞭可喜的石油開發前景。盆地東部海拔540米的風蝕窪地內，發現有世界罕見的千餘株矽化木。