シエラマドレ山脈
チワワ砂漠は主に雨蔭砂漠であり、西に西シエラマドレ山脈、東にという2つの主要な山脈にはさまれて、それぞれ太平洋とメキシコ湾からの湿気の大部分を遮断している。気候的には乾燥気候で、夏に唯一の雨季があるが、冬のはじめにも少し雨が降る。夏の雨は6月末から10月はじめにかけて、メキシコ湾の湿った空気がこの地域に及ぶの時期に降る。西のソノラ砂漠と比較すると、内陸にあることと標高が高い（約600-1675メートル）ことにより、夏の気候はより穏やかであり（とは言っても6月の日中の気温は摂氏35度から40度にのぼる）、冬は涼しいか寒く、ときに霜がおりる。年間平均気温は摂氏約24度であるが、高度により違いがある。砂漠でもっとも暑くなるのは低地および盆地部である。冬の気候は南部より北部でより厳しく、吹雪になることもある。チワワ砂漠の年間平均降雨量は235ミリメートルで、150-400ミリほどの幅があるが、他の温暖砂漠エコリージョンよりも降雨量は多い。乾燥地帯のちかくは年間降雨量が225ミリから275ミリの間にある。標高の高い峰以外では降雪はまれである。チワワ砂漠は比較的新しく、砂漠になってから8000年ほどしかたっていない。