巴州地貌分属天山山脉、塔里木盆地东部和昆仑山、阿尔金山等三个地貌区，基本格局似一个大“U”字型。境内有高山、盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠和平原绿洲。在全州面积中，山地面积22.5万平方公里，占47.7%；平原面积24．66万平方公里，占52.3%；其中戈壁沙漠面积14.3万平方公里，占全州面积的30.3%。
　　山脉：天山，横旦于准噶尔盆地和塔里木盆地之间，为亚州最大的山系之一，在州境内长约950公里，宽140-200公里之间，走向大致呈北西西向。山间盆地和纵向构造谷地，把整个山系分割成许多山脉和山块。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，一般高在4000-6000米之间，最高峰木孜塔格峰海拔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，由北向东延伸，山脉一般高度3000-5000米，气候干旱，为荒漠山地。
　　河流：全州共有大小河流53条。按河流的发源地可分为天山水系和东昆仑山水系。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；东昆仑山--阿尔金山水系的河流主要有车尔臣河、喀拉米兰河、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平方公里。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腾湖，东西长55公里，南北宽25公里，湖水高程1048米，水域面积1001平方公里，为全国最大的内陆淡水湖。
　　气候：巴州属中温带和暖温带大陆性气候。其主要特征是：干旱少雨、蒸发量大，日照长。由于全州地域辽阔，地形复杂，高山地区与平原地区，焉耆盆地的北四县与塔里木盆地的南五县（市）之间的气候又有较大差异。高山地区春秋相连，终年无夏，平原地区则四季分明。位于塔里木盆地边缘的库尔勒、轮台地区无霜期长达194-223天；位于塔里木盆地东南边缘的若羌地区无霜期长达181-199天；且末地区无霜期185天左右；位于焉耆盆地的北四县无霜期最短，为180天左右。