塔里木盆地位于新疆南部，西起帕米尔高原东麓，东到罗布泊洼地，北至天山山脉南麓，南至昆仑山脉北麓，大致在北纬37°-42°的暖温带范围内，南北最宽处520千米，东西最长处1400千米，面积约40多万平方千米，海拔高度在800-1300米之间，地势西高东低。
塔里木河位置偏于盆地北缘，水向东流，盆地地貌呈环状分布，边缘是与山地连接的砾石戈壁，中心是辽阔沙漠，边缘和沙漠间是冲积扇和冲积平原，并有绿洲分布，塔里木河以南是塔克拉玛干沙漠，是中国最大沙漠，世界第二大流动沙漠。
盆地水分主要来自西风气流，盆地降水稀少，盆地本身无法形成径流，较大河流有南部的叶尔羌、克孜勒、盖孜、和田、克里雅等河，北部的阿克苏、台兰、渭干、库车及开都（下游称孔雀）等河。盆地地下水的补给主要来自河床、渠道及田间渗漏，地下水动储量为110～148亿立方米。
塔里木盆地是大型封闭性山间盆地，地质构造上是周围被许多深大断裂所限制的稳定地块。地块基底为古老结晶岩，基底上有厚约千米的古生代和元古代沉积覆盖层，上有较薄的中生代和新生代沉积层，第四纪沉积物的面积很大。构造上的塔里木盆地地块和地貌上的塔里木平原，范围并不一致。拗陷内有巨厚的中生代和新生代陆相沉积，最大厚度达万米，是良好含水层。盆地呈不规则菱形，四周为高山围绕。盆地地势西高东低，微向北倾。
盆地沿天山南麓和昆仑山北麓，主要是棕色荒漠土、龟裂性土和残余盐土，昆仑山和阿尔金山北麓则以石膏盐盘棕色荒漠土为主。沿塔里木河和大河下游两岸的冲积平原上，主要是草甸土和胡杨林土，草甸土分布广。
塔里木盆地中石油、天然气资源蕴藏量十分丰富，分别约占全国油、气资源蕴藏量的1/6和1/4，成为“西气东输”工程的主力气源之一。
