自治州地处塔里木流域上游，有托什干河、博古孜河、恰克玛克河、克孜勒苏河、盖孜河、流量
自治州水资源较丰，但由于河流多处于高山峡谷之中，利用率极低，地表水引用量仅占拥有量的12%左右。地下水的开采利用量也仅占地下水可开采利用资源的10.85%左右。
由于河流多在山区，落差大，水能资源也较丰，总量为346.85万千瓦。
自治州气候属典型的温带大陆气候，其特点是光照充足，干旱少雨，冬季寒冷，夏季炎热，春秋季短促，且气温多变。气候差异极大，垂直反应明显。既有终年永冻的寒冷高山带，又有夏季酷炎的平原区；既有终年不化的冰雪降水带，又有干旱无雨的久旱区。相对温差达
自治州由于地域辽阔，且又分布于几个不同的地理带中，自然资源较丰富。 自治州草场面积达5000多万亩，著名的玉其塔什草原是州境内最大的草原，是发展草原畜牧业的广阔牧场。但长期超载放牧引起严重退化，载畜量低，发展畜牧业受到一定的制约。
自治州腹地平原，地势平坦，光照充足，适于瓜果生长，是有名的瓜果之乡，主要瓜果品种有甜瓜、西瓜、无花果、杏、桃、葡萄、石榴、苹果、梨、巴旦、樱桃、木瓜等。特别是无花果、喀拉库赛甜瓜、木纳格葡萄享誉全疆。但土壤肥力不足、重盐碱、干旱缺水又直接限制着农业生产的发展。
自治州天然植被稀疏。野生植物种类有54科184种，主要为禾本科、菊科、豆科、蓼科、藜科等牧草类植物。自治州野生蜜源植物沙棘资源较丰，有一定的开发利用价值。珍贵野生植物有白垩纪残余阔叶常青植物小沙冬青及稀有植物雪莲。境内有有毒植物毒麦和岩黄芪(醉马草)及曼陀罗等。
自治州野生动物资源较丰，仅鸟类就有17目42科244种，占新疆鸟类总种数的60%。珍贵野生动物较多，属国家一级保护的12种，二级33种，另外还有珍贵稀有野生动物40多种。
自治州矿产丰富，主要分布于广大山区。金属矿有金、银、铜、铁、锰、铬、铅、锌、锡、镍、钴、钨、铝、钼、钒、钛、锂、铍、铌、钽、等；燃料矿有煤、石油等；建材矿上，盐、芒硝的储量也相当丰富。另外尚有珍贵稀有矿冰洲石、绿柱石等宝石矿。
自治州地跨天山山区、帕米尔高原、昆仑山山区及塔里木盆地边缘几个独特的地理环境区，这4个独特的地理区域，在地质构造，地貌特征、气候物产上千差万别，各有所异，这就形成了各自不同的自然景观。
自治州地形复杂，气候变化无常，自然灾害频繁。主要灾害有干旱、霜冻、大风、雪灾、洪水、冰雹、干热风、浮尘等。
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