行政区划分上，天山大峡谷位于乌鲁木齐县，地跨板房沟乡、托里乡和水西沟镇，距离乌鲁木齐市区约48公里。天山大峡谷景区的总面积1038.48平方公里。大峡谷南北长约50公里，北为板房沟乡林管站，南边为托克逊县。东西宽大概43公里，东为103省道，西边则是216国道。大峡谷内既有高山也有山间盆地。大峡谷内地形复杂，即有纵横的沟壑，也有起伏多变的山峦。天山大峡谷主要由与天山主脉相垂直的三条山脉构成，由南高北低，南部为由高山、中山、低山及低山丘陵组成的山区，北部为由冲积洪积扇和河阶构成的山前倾斜冲洪积平原。大峡谷