昌吉回族自治州地势南高北低，由东南向西北倾斜，南部是天山山地，中部为广袤的冲积平原，北部为浩瀚的沙漠盆地，此区域为横亘南部的天山的北坡，习惯称之为“天山北坡”。东部为北塔山（东西向的天山与南北向的阿尔泰山的山结），地势南高北低，由东南向西北倾斜。可分为4个地貌单元：天山山地、倾斜平原、沙漠盆地、北塔山山地。天山山脉东西向横贯新疆中部，分新疆为南疆、北疆。其自身又由南北排列的南天山、中天山、北天山三大山系组成。中部平原介于南部天山山地和北部沙漠盆地之问，由地表径流冲积、洪积形成的地势平坦、水土条件优越的绿洲。中部平原以北为准噶尔盆地及其中的古尔班通古特沙漠。北塔山是准噶尔盆地东部阿尔泰山向南延伸的支脉，位于昌吉州东北缘。
昌吉回族自治州自然状态下的地表水主要有冰川、积雪、河流、泉水、湖泊、水库、渠塘等地表水系。冰川、积雪分布在南部海拔3800米以上的高山区，为现代永久积雪区。昌吉州各县市除木垒县外都有冰川、积雪常年分布。昌吉州地处内陆干旱盆地区，河流均发源于高山，流失于盆地，为内陆河。河流流程短，水量小，除玛纳斯河在下游汇成玛纳斯湖外，其余都是无尾河。昌吉州境内面积较大的天然湖泊有阜康市南部山区的天池和米泉县北部沙漠边缘的东道海子。
昌吉回族自治州属中温带区，为典型的大陆性干旱气候，具有冬季寒冷、夏季炎热、昼夜温差大的特点。由于地形条件的影响，由南向北气候差异较大，南部夏季降水较多；北部沙漠性气候特征显著。昌吉州日照充足，年日照时数为2700小时；年平均降水量为190毫米，夏季降水量明显多于冬季；年无霜期为160-190天。
1981–2010年间昌吉市的平均气象数据
月份
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
全年
平均高温 °C（°F）
−9.1(15.6)
−5.5(22.1)
5.6(42.1)
19.3(66.7)
26.2(79.2)
30.9(87.6)
32.6(90.7)
31.6(88.9)
25.6(78.1)
15.9(60.6)
3.4(38.1)
−6.5(20.3)
14.2(57.5)
日均气温 °C（°F）
−14.2(6.4)
−10.5(13.1)
0.5(32.9)
12.3(54.1)
19.0(66.2)
23.8(74.8)
25.6(78.1)
24.1(75.4)
18.0(64.4)
9.0(48.2)
−1.1(30.0)
−11.0(12.2)
8.0(46.3)
平均低温 °C（°F）
−18.4(−1.1)
−14.9(5.2)
−3.9(25.0)
6.1(43.0)
12.6(54.7)
17.4(63.3)
19.4(66.9)
17.5(63.5)
11.6(52.9)
3.8(38.8)
−4.6(23.7)
−14.5(5.9)
2.7(36.8)
平均降水量 mm（英寸）
8.5(0.33)
8.3(0.33)
11.9(0.47)
22.2(0.87)
26.3(1.04)
22.5(0.89)
25.2(0.99)
19.7(0.78)
15.1(0.59)
16.2(0.64)
15.0(0.59)
11.4(0.45)
202.3(7.97)
平均相對濕度（％）
81
79
70
48
45
45
47
46
50
62
77
82
61
数据来源：中国气象数据网
