一、地形、地貌
准噶尔盆地位于阿尔泰山与天山之间，西界为准噶尔西部山地，东至北塔山麓。准噶尔盆地幅员辽阔，跨越了北疆多个行政区域。南部属乌鲁木齐市和昌吉回族自治州;西部有石河子市、奎屯市、克拉玛依市、博尔塔拉蒙古族自治州和塔城地区;北部及东部属阿勒泰地区。
盆地中部和东部为古尔班通古特沙漠，分布面积4.73×104km2。天山山前与沙漠之间是广阔的山前冲洪积扇平原，盆地四周为山脉群峰，山区面积14.60×104km2，气候湿润，海拔2000～5000m，3500m以上终年积雪，现代冰川分布面积达2254.1km2。
准噶尔盆地地貌上可分为三大部分。北部平原北起阿尔泰山南麓，南抵沙漠边缘，特点是新生代地层薄，风蚀作用显著，额尔齐斯河流入北冰洋，其流域属于外流区;南部平原南起天山北麓，北至沙漠边线，特点是南侧有三列前山隆起，前山间有向斜谷地，南部河流不能外泄，以沙漠和灌区为尾闾。风成平原主要为盆地中部风成作用形成的古尔班通古特沙漠，还有一些小面积沙地，总面积5.61×104km2。受不同风向风力作用，形成了形态复杂、类型多样的沙丘，诸如新月形沙丘、鱼鳞状沙丘、星状沙丘、羽状沙垄、树枝状沙垄等。
二、水文、气象
本区的地表水系发育，有大小河流230余条，多年平均总径流量205.72×108m3/a，区内的河流主要为内陆河，发源于山地，汇集于盆地湖泊。除北部的额尔齐斯河流出国境后经哈萨克斯坦和俄罗斯注入北冰洋外，其余河流均呈向心水系流入盆地形成内陆河，河流的归宿点是内陆盆地和山间封闭盆地的低洼部位。其中发源于阿尔泰山南坡东部的水系汇入乌伦古湖，发源于天山山脉博格达山及依连哈比尔尕山北麓的玛纳斯河和东部小河最终均向玛纳斯湖汇入，发源于婆罗科努山北麓的水系汇入艾比湖。
区内多年平均径流量较大的河流主要有额尔齐斯河100.40×108m3/a、玛纳斯河13.11×108m3/a。地表径流量在各区段变化较大，阿尔泰山年径流量111.11×108m3/a，占全盆地径流总量的54.01%，准噶尔西部山地7.0762×108m3/a，占全盆地径流总量的3.44%，天山北坡87.89×108m3/a，占全盆地径流总量的42.72%。
区内天然湖泊主要有赛里木湖、艾比湖、乌伦古湖、柴窝堡湖等，区内湖水总面积2339.1km2。湖泊多为咸水湖，玛纳斯湖已枯竭。2003年有大中小型水库163座(其中大型6座，中型40座，小型117座)，总库容20.1141×108m3。
盆地内为温带大陆性干旱气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，不同地区差异很大，准噶尔盆地平均气温为5～7.5℃。年平均气温分布状况为南部气温高于北部，西部气温高于东部，平原气温高于山区。月平均气温以1月最低，7月最高，低温期出现在12月至次年的2月，高温期出现在6～8月(表2-3-2)。在垂直梯度上，平均每增高100m，气温降低0.2～0.3℃。
准噶尔盆地多年平均降水量为1087.85×108m3/a，占全疆的42.7%。区内降水量少且分布不均，降水分布规律为北部多于南部，西部多于东部，山地多于平原，盆地边缘多于盆地中心，迎风坡多于背风坡。北天山山地降水一般为200～800mm，阿勒泰地区山地一般为300～900mm，准噶尔盆地西缘一般为200～400mm，盆地其他边缘为150～200mm，盆地中心约50mm;平原区降水量仅占总降水量的16%，山地占84%。
蒸发强度与降水量分布规律正好相反。盆地内的荒漠、沙漠区蒸发量可达2300mm，盆地边缘绿洲环带内蒸发量一般为1900～2700mm之间，克拉玛依市则高达2954.1mm，山区蒸发量低于1500mm。蒸发量分布趋势是北部小，南部大;西部小，东部大;山区小，平原大。蒸发量随地形的升高而递减，平原大，沙漠小。
三、地质、构造
准噶尔盆地是一个四周为褶皱山系所环绕的区域性负构造单元，具有边缘基底高于腹部，北缘基底高于南缘，北部翘起向南下沉，边缘为隐伏断裂所限的略似等边三角形的格局。沉积岩在安集海—玛纳斯—昌吉一线最厚，达14000m，这是北天山在燕山-喜马拉雅构造运动期急剧上升，前沿坳陷不断加深与扩大所造成的。
准噶尔盆地基底由两个独立的，并在属性和时代上迥然相异的地体在石炭纪末期拼贴而成，呈北西向延伸的三个泉隆起轴部是这两个地体的拼贴带。位于三个泉拼接带之北的地体称为乌伦古地体，其南的地体称为玛纳斯地体。准噶尔盆地是在古老基底上受印度次大陆及欧亚大陆板块碰撞作用力的影响下形成的。古近-新近纪沉积在盆地南部和北部具有明显的差异。南部古近-新近系下部从山麓相、河流相向上变为浅湖相，上部为河流相沉积，厚度为1540～4604m;盆地北部为河流相、浅湖相沉积，厚度仅为100～800m，南厚北薄的现象更为明显。古近-新近纪末—第四纪早更新世的新构造运动使盆地周边山地断块隆升，导致边缘构造过渡带发生褶皱并形成低山丘陵;在盆地内部则沉积了不同类型的第四纪堆积物。新近纪以后(即新构造运动以来)，盆地周边山地强烈上升，南缘下降，形成凹陷，第四纪以来的下降幅度可达1000m，准噶尔盆地北缘也跟着下降，规模和幅度小，未形成大面积凹陷，一般下降幅度小于100m。在新构造运动控制下，第四系沉积厚度特点是博尔塔拉谷地第四系厚达60～900m，精河—大河沿山前断陷厚350～1500m，天山北麓沿乌伊公路一带厚1000～1200m，向北逐渐变薄，到古尔班通古特沙漠以北第四系厚度一般小于50m。