塔里木盆地在新疆维吾尔自治区。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。旧罗布泊湖面高程780米，盆地最低点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，面积33.7万平方千米，占新疆面积20%，占中国沙漠和戈壁总面积26%（如单指沙漠则占43%）。

塔里木盆地是中国最大沙漠，也为居世界第2位的流动沙漠。个体沙丘每年约南移50-60米，流动沙丘面积占85%，沙丘形状复杂，有金字塔形、穹状、鱼鳞状、复合型沙丘链、复合型沙垄等多种形态。