新疆远离海洋，深居内陆，四周有高山阻隔，海洋湿气不易进入，形成明显的
温带大陆性气候。气温变化大，日照时间长（年日照时间达2500-3500小时），降水量少，空气干燥。新疆年平均降水量为150毫米左右，但各地降水量相差很大，
南疆的气温高于北疆，北疆的降水量高于南疆。最冷月（1月），平均气温在
准噶尔盆地为零下20℃以下，该盆地北缘的富蕴县绝对最低气温曾达到零下50.15℃，是全国最冷的地区之一。最热月（7月），平均气温在号称“火洲” 的吐鲁番为33℃以上，绝对最高气温曾达至49.6℃，居全国之冠。由于新疆大部分地区春夏和秋冬之交日温差极大，故历来有“早穿皮袄午穿纱，围着火炉吃西瓜” 之说。山脉与盆地相间排列盆地与高山环抱、喻称“三山夹二盆”。
新疆三大山脉的积雪、冰川孕育汇集为500多条河流，分布于天山南北的盆地，其中较大的有塔里木河（我国最大的内陆河)、伊犁河、
额尔齐斯河(流入北冰洋)、玛纳斯河、乌伦古河、开都河等20 多条。许多河流的两岸，都有无数的绿洲,颇富“十里桃花万杨柳”的塞外风光.新疆有许多自然景观优美的湖泊，总面积达9，700平方公里，占全疆总面积的0.6%以上，其中著名的十大湖泊是：
博斯腾湖、艾比湖、布伦托海、
阿雅格库里湖、
赛里木湖、阿其格库勒湖、鲸鱼湖、吉力湖、阿克萨依湖、艾西曼湖。 新疆境内形成了独具特色的大冰川，共计1.86万余条，总面积2.4万多平方公里，占全国冰川面积的42%，冰储量2.58亿立方米，是新疆的天然“固体水库”。新疆的水资源极为丰富，人均占有量居全国前列。大沙漠占全国沙漠面积的2/3，其中塔里木盆地中的
塔克拉玛干沙漠的面积为33.67万平方公里，是我国最大的沙漠，为世界第二大流动沙漠，仅次于阿拉伯半岛上的鲁卜哈利沙漠。准噶尔盆地的古尔班通古特沙漠，面积48，000平方公里，为我国第二大沙漠。新疆沙漠中蕴藏着丰富的油气资源和矿产资源。
山，南部为昆仑山系；天山横亘于新疆中部，把新疆分为南北两半，南部是塔里木盆地，北部是准噶尔盆地。习惯上称天山以南为南疆，天山以北为北疆，把哈密、吐鲁番盆地为东疆。