盆地内地貌,平原可分为两区。北起阿尔泰山南麓,南抵沙漠北缘的北部平原,风蚀作用明显,有大片风蚀洼地。南部平原南起天山北麓,北至沙漠北缘、可分两带,北带为沙漠,南带为天山北麓山前平原,是主要农业区。古尔班通古特沙漠是中国第二大沙漠,固定和半固定沙丘占优势,流动沙丘仅占3%。沙漠区年降水量约100毫米,冬季有稳定积雪,在固定沙丘上植被覆盖度约40%~50%,在半固定沙丘上约20%。丘间洼地生长牧草,夏季缺水,曾作冬季牧场,现已定点打井,夏季亦可放牧。
盆地属中温带气候。太阳年总辐射量约565千焦耳/平方厘米:年日照时数北部约3 000小时,南部约2 850小时。盆地北部、西部年均温3~5℃,南部5~7.5℃。盆地东部为寒潮通道,冬季为中国同纬度最冷之地,富蕴1月均温为-28.7℃。10℃以上活动积温3 000~3500℃,持续150~170天,无霜期除东北部为l00~135天外,大多达150~170天。年均温日较差12~14℃。
盆地主要自然灾害有冻害和大风。约4~5年有一次较大范围的冬麦冻害,10年有一次较重的果树冻害。