[山脉]天山横亘于准噶尔盆地和塔里木盆地之间，是亚洲最大的山系之一，在州境内长约950千米，宽140－200千米，大致呈西北－东南走向。山间盆地和纵向构造谷地把整个山系分割成许多山脉和。主要有北部的天格尔山、阿拉沟山、霍拉山等。昆仑山位于塔里木盆地与藏北高原之间，自治州南部的昆仑山为东昆仑山，呈东北西南走向，一般高度在4000－6000米之间，最高峰木孜塔峰海拔7723米。东昆仑山北侧，且末以东为阿尔金山，是州境东南部塔里木盆地东端与青海省柴达木盆地之间的界山，则北向东延伸，山脉一般高度为3000－5000米，气候干旱，为荒漠山地。

　　[河流]全州共有大小河流53条，年径流量106亿立方米。按河流的发源地可分为天山灌溉系统和东昆仑山不系。天山水系的河流主要有开都河、黄水沟、清水河、迪那河、库尔楚河等，滋润着焉耆盆地、库尔勒、尉犁、轮台平原的大片土地；爱毗仑山－阿尔金山水系的主要河流有车臣河、喀拉为兰河、莫勒切河、米兰河、塔什赛依河、瓦石峡河等，孕育着若羌、且末两地的绿洲。

　　[湖泊]全州境内共有大小湖泊69个，总面积2398平方千米。主要湖泊有博斯腾湖、罗布淖尔湖、台特玛湖、鲸鱼湖等。位于焉耆　盆地东南部的博斯湖，东西长55千米，南北宽25千米，湖水高程1048米，水域面积1001平方千米，为全国最大的内陆淡水湖。

　　[气候]巴州气候呈带状分布，北部天山山区的高山山区属半干旱半湿润高寒山地气候，南部昆仑山、阿尔金山区属青藏高原北缘干旱、半干旱高寒气候。平原北部的焉耆盆地属中温带大陆性气候，南部的塔里木盆地属暖温带大陆性荒漠气候和绿洲气候。2001年，巴州气候特点是，年平均气温偏高，全年活动积温偏多，又是一个暖年。年降水量巴音布鲁克山区正常略多，北4县、轮台县正常偏少，其它各地少，尤以黄水沟以西天山山区旱情最重。全州开春艾早，4月出现寒潮大风天气，终霜冻晚。夏季炎热，水降水少，北部无洪水。秋季长，入冬晚。前冬冷，后冬暖。巴音布鲁克山区、塔里木盆地中部、东南部及南部山区冬雪多，积雪面积大。