在那遥远的5亿年前，当新疆的大片区域仍是一片汪洋时，塔里木和准噶尔仅是两块孤独的陆洲，被海洋环绕。在距今2到3亿年的某个历史节点，一次强烈的地壳运动发生了，海底隆起成陆地，并随着时间的推移褶皱成山地。从此，这两个孪生兄弟不再被海水包围，而是由群山环抱。天山山脉再度上升成为高峰，从而这对“孪生兄弟”最终分开。
塔里木盆地坐落于天山、昆仑山和帕米尔高原之间，它呈不规则菱形布局，东西长约1400千米，南北宽处达520千米，是中国面积最大的一内陆盆地。盆地周遭被高耸的山脉所环绕，其中东部虽有疏勒河谷通向甘肃河西走廊，但由于其低矮的地势，使得水系无法外流，因此自然景观呈现出一种奇特的环状格局，与邻近之土耳其石灰岩平原相连结的是砾壁，而中心地区，则是广袤无垠的大沙漠，以及间隔其间的是平坦广阔的小草原。
环境条件极为干旱，不论边缘部分还是核心区，其降雨量都极为稀少，甚至核心部分几乎每年都未见过任何雨滴。而由于它北侧有天山阻挡，让冬季冷空气难以深入，因此气温略显较暖。在1月份平均温度大概在-10℃左右。而夏季，则异常炎热，在7月份平均温度普遍超过25℃，属于典型的暖温带性荒漠气候类型。
尽管如此，这里的绿洲农业非常发达，小麦、玉米、长绒棉以及蚕桑和瓜果等农作物都能获得良好的收成。此外，还蕴藏着丰富的地下资源，如石油和天然气，为当地经济注入了新的活力。
