塔克拉瑪干沙漠所在的塔里木盆地處於天山、崑崙山和阿爾金山之間。南北最寬處520千米，東西最長處1400千米，面積約40多萬平方千米 。海拔高度在800-1300米之間，地勢西高東低。
塔里木盆地是大型封閉性山間盆地，地質構造上是周圍被許多深大斷裂所限制的穩定地塊，盆地地勢西高東低，微向北傾，舊羅布泊湖面海拔780米，是塔里木盆地及塔克拉瑪干沙漠的海拔最低點。
東北部的羅布泊是整個盆地最低點，海拔約800米。
塔克拉瑪干沙漠位於新疆塔里木盆地的正中心，面積有33.76平方千米，東西跨度達到了1000km，南北跨度400km，海拔高度在800-1400m左右，屬於暖溫帶極乾旱荒漠。地質學家對於塔克拉瑪干沙漠的“前世”有着許多推斷，最後認定這片沙漠早在450萬年以前就存在了。
