吐鲁番盆地中部有火焰山和博尔托乌拉山余脉横穿境内，把盆地分成南、北两半。其中火焰山是一条是一条东西长约100公里，南北宽7—10公里，平均高度500米左右的褶皱低山，主要由侏罗、白垩和第三纪的赤红色砂、砾岩和泥岩组成，所以形似火焰。
在这种地理构造下，吐鲁番盆地属于温带大陆性荒漠气候，年降水量在6.9毫米-16毫米，平均蒸发量却高达2837.8毫米，同时由于大部分地区的海拔不超过500米，在最低部分的艾丁湖更是低于海平面154米，是仅次于约旦死海的世界第二低地，由于海拔越低则气温越高，平均每低100米上升0.6℃，所以吐鲁番盆地自古便有“火洲”之称。
6～8月平均最高气温都在38℃以上，最高气温有过49.6℃的纪录，夏季中午的沙面温度甚至最高达82.3℃。这跟吐鲁番盆地四周环山，中间低凹，地表辐射的热量不易散发也有密切关系。这种情况下，吐鲁番盆地便拥有了极其丰富的光热资源，全年日照时数3200小时，无霜期达210天，很适合种植葡萄、哈密瓜、反季节蔬菜等经济作物。
