塔克拉玛干沙漠所在的塔里木盆地处于天山、昆仑山和阿尔金山之间。南北最宽处520千米，东西最长处1400千米，面积约40多万平方千米 。海拔高度在800-1300米之间，地势西高东低。
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，盆地地势西高东低，微向北倾，旧罗布泊湖面海拔780米，是塔里木盆地及塔克拉玛干沙漠的海拔最低点。
东北部的罗布泊是整个盆地最低点，海拔约800米。
塔克拉玛干沙漠位于新疆塔里木盆地的正中心，面积有33.76平方千米，东西跨度达到了1000km，南北跨度400km，海拔高度在800-1400m左右，属于暖温带极干旱荒漠。地质学家对于塔克拉玛干沙漠的“前世”有着许多推断，最后认定这片沙漠早在450万年以前就存在了。