部有加依尔山、青克斯山，北边有阿拉特山；中部、东部地形开阔平坦，向准噶尔盆地中心倾斜。克拉玛依市全境被伊犁哈萨克自治州塔城地区包围。其东北与和布克赛尔蒙古自治县接壤，东南与沙湾县交界，西部与托里县和乌苏市毗连，南边奎屯市将本市独山子区隔开使之成为一块飞地。克拉玛依属沙漠性气候（柯本 "BWk"）：全年平均降水为106毫米。冬季在11月中开始，一直持续到3月下旬；冬季冷但干燥：一月平均高温降下 −11.2℃。春比较短（3月下旬－5月下旬），不过暖。夏干热：7月平均高温是33.9℃。秋季温和，但是过渡时