中国で最も国境を接している国が多く、その数はインド、パキスタン、アフガニスタン、タジキスタン、キルギスタン、カザフスタン、ロシア連邦、モンゴル国の8カ国に及び、国境線の総延長は約5700kmに達する。
自治区面積も中国の省・自治区の中で最大であり、中国全土の約1/6を占める。海抜 7435m〜−155mにあり、面積の約4分の1は砂漠が占めており、これは中国の砂漠総面積の約3分の2に相当する。
北はアルタイ山脈、南は崑崙山脈に挟まれ、西はパミール高原へと続いている。中央部に南北に分ける東西約1700mの天山山脈を境に北はジュンガル(準噶爾)盆地、南はタリム(塔里木)盆地に分れていて、タリム盆地の中には中国最大の砂漠・タクラマカン(塔克拉瑪干)砂漠が広がり、天山の南側、崑崙の北側を天山山中にはイリ(伊犁)盆地、そして海抜マイナス155mのトルファン(吐魯番)盆地がある。天山山脈の主峰はトムール峯7443m。