巴里坤哈薩克自治縣位于天山東段北麓。東與伊吾縣毗鄰，西與木壘哈薩克自治縣相連，南與哈密市相接，北與蒙古國交界（邊境線長305公里）。東西長276.4公里，南北寬180.6公里，總面積3．84萬平方公里。

地勢南高北低，西高東低，西部、南部為天山山脈，中部為北天山及丘陵山區，由西向東傾斜形成起伏不平的波浪式谷地，東部、北部為平原地區。水資源主要來自冰川融水和山間泉水。屬溫帶大陸性干旱氣候，氣溫變化劇烈，南北氣候差異明顯，降水量分布極不均勻，年均氣溫3.6℃，年均降水89毫米。
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