南木林縣位于西藏自治區的中南部，日喀則地區東部，雅魯藏布江中上游北岸。東與拉薩市尼木縣交界，西與謝通門縣相鄰，北與那曲地區申扎、班嘎兩縣接壤，南與日喀則市隔江相望，與日喀則地區相距76公里，總面積8848平方公里。

南木林縣屬高原溫帶半干旱季風氣候區。日照強，旱雨季分明，降水較集中，晝夜溫差大，雨熱同季。年日照時數2928小時，年降水量350-400毫米。