哈密地区，其东部、东南部与甘肃省酒泉地区的安西县和敦煌县相邻，南部与巴音郭楞蒙古自治州若羌县接界，西部、西南部与昌吉回族自治州木垒县和吐鲁番地区的鄯善县毗邻，北部、东北部与蒙古国接壤，是新疆仅次于巴音郭楞蒙古自治州与和田地区的第三大地区。
哈密地处天山尾部，东天山余脉横贯全境，将哈密分为南、北两个封闭式盆地。
山北的巴里坤盆地呈由北向西分布，盆地东部山势狭窄，形成伊吾盐池和巴里坤湖两个洼地；北部淖毛湖、三塘湖一带，又形成由西向北分布的封闭的山间盆地。
全境内地势差异大，哈尔里克山主峰托木尔提峰海拔4886米，是地区之巅；是哈密最高处。在总面积中，丘陵占65.5%，沙漠占1.5%，平原、戈壁占27.9%，水面占0.1%，农业耕地占0.5%。
哈密地处亚欧大陆腹地，远离海洋，是典型的温带大陆性干旱气候，其主要特点是：日照时间长，年、日温差大，干燥少雨，蒸发强，春季多风，夏季酷热，秋季晴朗，冬季严寒。区内各地气候差异较大。
中石油土哈油田分公司勘探开发区域为吐哈盆地，面积5.35万平方公里，预测石油资源储量15.75亿吨、天然气资源储量3700亿立方米。1990年以后相继发现了鄯善、丘陵、温吉桑、米登、巴喀、葡北、温西、神泉、吐鲁番、丘东、红胡、鄯勘、疙瘩台、恰勒坎等油气田。截至2001年底，在吐哈盆地共探明油气田14个。现已建成年产360万吨的生产能力。
盆地主要是由于地壳运动形成的。在地壳运动作用下，地下的岩层受到挤压或拉伸，变得弯曲或产生了断裂就会使有些部分的岩石隆起，有些部分下降，如下降的那部分被隆起的那些部分包围，盆地的雏形就形成了。哈密盆地是组成吐哈盆地两个盆地中最大的一个，吐哈盆地面积5.28万平方公里，是我国仅次于塔里木、准噶尔、四川及柴达木的第五大盆地，也是中国最大的断陷低位山间盆地。从地质构造上讲，吐哈盆地由三个构造单元组成：东部哈密坳陷，中部暸墩隆起，西部吐鲁番坳陷。但从地貌形态看，吐哈盆地是以鄯善县城南部沙山为大致分界线，东部属哈密盆地，西部为吐鲁番盆地。换句话说，鄯善一分为二，分属两个盆地，哈密盆地西部包括了鄯善七克台等乡的范围，自然区划超越了行政区划。
