中國大型陷落盆地之一。位於新疆維吾爾自治區北部，阿爾泰山脈與天山之間，西側為準噶爾西部山地，東至北塔山麓。南北寬380千米，東西長850千米，面積20萬平方千米，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高程270米；西南部的艾比湖湖面高程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
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3 000～4 000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1 000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。
氣候與水文 盆地屬中溫帶氣候。太陽年總輻射量約565千焦/厘米2，年日照時數北部約3 000小時，南部約2 850小時。盆地北部、西部年平均氣溫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，1月平均氣溫為−28.7℃。10℃以上活動積溫3 000～3 500℃，持續150～170天。無霜期除東北部為100～135天外，大多150～170天。年平均氣溫日較差12～14℃。
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流河，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，支流源於阿爾泰山南坡。盆地的內流河有4排水區：①烏倫古湖。為烏倫古河尾閭。②艾比湖。匯集博爾塔拉、精河及奎屯等河。③瑪納斯湖。匯集瑪納斯、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。
土地資源與農業潛力 盆地北部土壤主要是棕鈣土，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，要灌溉全部土地，尚有困難。
凍害和大風為主要自然災害。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，沙丘移動現象遠較塔裡木盆地為少。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。