墨玉縣位于昆侖山北麓，塔里木盆地西南部，喀拉喀什河西岸。東以喀拉喀什河為界與和田縣、洛浦縣相望，西臨戈壁與皮山縣接壤，南抵喀喇昆侖山北麓，北入塔克拉瑪干大沙漠與阿瓦提縣相鄰。

南窄北寬，地勢南高北低，地形分三個地貌單位：南部為山腰起伏山區；中部為洪水沖積扇平原；西北部是沖積沙漠平原。屬暖溫帶干燥荒漠氣候，四季分明，春季升溫快，夏季炎熱、干燥少雨，秋季降溫快。降水量稀少，光照充足，無霜期長，晝夜溫差大，年均氣溫11.6℃，年均降水41毫米。
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