巴里坤哈萨克自治县位于天山东段北麓。东与伊吾县毗邻，西与木垒哈萨克自治县相连，南与哈密市相接，北与蒙古国交界（边境线长305公里）。东西长276.4公里，南北宽180.6公里，总面积3．84万平方公里。

地势南高北低，西高东低，西部、南部为天山山脉，中部为北天山及丘陵山区，由西向东倾斜形成起伏不平的波浪式谷地，东部、北部为平原地区。水资源主要来自冰川融水和山间泉水。属温带大陆性干旱气候，气温变化剧烈，南北气候差异明显，降水量分布极不均匀，年均气温3.6℃，年均降水89毫米。