墨玉县位于昆仑山北麓，塔里木盆地西南部，喀拉喀什河西岸。东以喀拉喀什河为界与和田县、洛浦县相望，西临戈壁与皮山县接壤，南抵喀喇昆仑山北麓，北入塔克拉玛干大沙漠与阿瓦提县相邻。

南窄北宽，地势南高北低，地形分三个地貌单位：南部为山腰起伏山区；中部为洪水冲积扇平原；西北部是冲积沙漠平原。属暖温带干燥荒漠气候，四季分明，春季升温快，夏季炎热、干燥少雨，秋季降温快。降水量稀少，光照充足，无霜期长，昼夜温差大，年均气温11.6℃，年均降水41毫米。