Situado no sertão da Ásia, o Xinjiang se estende da Montanha Altay, a Montanha Tianshan e a Montanha Kunlun, de Sul a Norte. As montanhas são separadas pelas Bacias Junggar e do Tarim. A China costuma considerar o sul da Montanha Tianshan como "Nanjiang" (sul de Xinjiang), o norte da Montanha Tianshan como "Beijiang" (norte de Xinjiang) e as Bacias Kumui e Turpan como "Dongjiang" (leste de Xinjiang). Suas zonas urbanas e rurais se situam nos oásis espalhados ao longo das Duas Grandes Bacias, como se fossem fios de pérolas.

O Xinjiang é atravessado pelo Rio Tarim, o maior rio chinês sem acesso ao mar. Ele também possui o Lago Bagrax, o maior lago dágua doce da China, e a Bacia Turpan, a mais baixa da China. Seu clima é tipicamente seco, com climas bem diferentes. Na zona Altay é registrada a temperatura mais baixa da China, enquanto na zona Turpan tem mantido as temperaturas mais elevadas da China.

Dois terços dos desertos chineses ficam no Xinjiang. A superfície do Deserto Taklimakan chega a 330 mil quilômetros quadrados, o maior deserto da China e o segundo maior deserto movediço do mundo. O Deserto Gurbantunggust, situado na Bacia Junggar, possui 48 mil quilômetros quadrados, o segundo maior deserto da China. Os desertos do Xinjiang são ricos em recursos petrolíferos e minerais.

Com serras nevadas e picos gelados interligados, o Xinjiang emerge aos olhos como grande área glacial, sendo considerado como o "reservatório de gelo". Em Xinjiang, a possessão dos recursos hídricos per cápita fica entre os primeiros lugares do país.