东连海南州，东南达果洛州，南靠玉树州，西毗新疆巴音郭楞州，北依甘肃省酒泉市、张掖市，省境西南隅的唐古拉山镇由海西州管理，成为与西藏自治区那曲市邻接的一块飞地。地处青藏高原，北部为阿尔金山脉、祁连山脉，中部为柴达木盆地，南部为昆仑山脉，唐古拉山镇南缘为唐古拉山脉。境内水资源丰富，长江正源沱沱河发源于唐古拉山主峰各拉丹冬峰，还有那棱格勒河、哈尔腾河、格尔木河、柴达木河、布哈河、都兰河、疏勒河等内流河。湖泊众多，有托素湖、达布逊湖、苏干湖、东台吉乃尔湖、西台吉乃尔湖、南霍鲁逊湖、北霍鲁逊湖等，并有察尔汗盐湖、茶卡