新疆的地形地貌可以概括为“三山夹两盆”：北面是阿尔泰山，南面是昆仑山，天山横贯中部，把新疆分为南北两部分，习惯上称天山以南为南疆，天山以北为北疆。南疆的塔里木盆地面积53万平方公里，是中国最大的内陆盆地。位于塔里木盆地中部的塔克拉玛干沙漠，面积约33万平方公里，是中国最大、世界第二大流动沙漠。贯穿塔里木盆地的塔里木河长约2100公里，是中国最长的内陆河。北疆的准噶尔盆地面积约38万平方公里，是中国第二大盆地。准噶尔盆地中部的古尔班通古特沙漠面积约4.8万平方公里，是中国第二大沙漠。水域面积5500平方公里，其中博斯腾湖水域面积980平方公里，是中国最大的内陆淡水湖。在天山东部和西部，还有被称为“火洲”的吐鲁番盆地和被誉为“塞外江南”的伊犁谷地。位于吐鲁番盆地的艾丁湖，低于海平面154米，是中国陆地最低点。片片绿洲分布于盆地边缘和河流流域，总面积约占全区面积的4.2%。
新疆远离海洋，气候干燥少雨，属于典型的温带大陆型干旱气候，年均天然降水量仅有171毫米。境内山脉融雪形成大小河流570多条，多年平均地表水年径流量879亿立方米；平原区地下水可开采量153亿立方米；冰川储量2.13万亿立方米,占全国的50％，有“固体水库”之称。新疆土地资源丰富，全区农林牧可直接利用土地面积10亿亩，占全国农林牧宜用土地面积的十分之一以上。现有耕地7600多万亩，人均占有耕地3.45亩，为全国平均水平的2.6倍；天然草原面积7.2亿亩，占全国可利用草原面积的14.5%,是全国五大牧区之一。有后备耕地2.23亿亩，居全国首位；全年日照时间平均2600-3400小时，居全国第二位。
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