塔里木盆地是大型封闭性山间盆地，地质构造上是周围被许多深大断裂所限制的稳定地块。地块基底为古老结晶岩，基底上有厚约千米的古生代和元古代沉积覆盖层，上有较薄的中生代和新生代沉积层，第四纪沉积物的面积很大。
构造上的塔里木盆地地块和地貌上的塔里木平原，范围并不一致。拗陷内有巨厚的中生代和新生代陆相沉积，最大厚度达万米，是良好含水层。盆地呈不规则菱形，四周为高山围绕。盆地地势西高东低，微向北倾。旧罗布泊湖面高程780米，盆地最低点塔里木河位置偏于盆地北缘，水向东流。
盆地沿天山南麓和昆仑山北麓，主要是棕色荒漠土、龟裂性土和残余盐土，昆仑山和阿尔金山北麓则以石膏盐盘棕色荒漠土为主。沿塔里木河和大河下游两岸的冲积平原上，主要是草甸土和胡杨林土（土壤学上亦称吐喀依土）。草甸土分布广，轮台至尉犁间河道两侧最为集中。胡杨林土发育于茂密成荫的胡杨林下，特点是有机质含量多（1%～2%以上），盐分含量不高。草甸土和胡杨林土为农垦主要对象。由此引起森林破坏，对环境保护不利，值得重视。
盆地地势西高东低，微向北倾，旧罗布泊湖面高程780米，是盆地最低点。塔里木河位置偏于盆地北缘，水向东流。
盆地地貌呈环状分布，边缘是与山地连接的砾石戈壁，中心是辽阔沙漠，边缘和沙漠间是冲积扇和冲积平原，并有绿洲分布。塔里木河以南是塔克拉玛干沙漠，面积33.7万平方千米，占新疆面积20%，占中国沙漠和戈壁总面积26%（如单指沙漠则占43%），是中国最大沙漠，也为居世界第2位的流动沙漠。个体沙丘每年约南移50～60米，流动沙丘面积占85%，沙丘形状复杂，有金字塔形、穹状、鱼鳞状、复合型沙丘链、复合型沙垄等多种形态。
世界第一大内陆盆地，位于新疆维吾尔自治区南部，西起帕米尔高原东麓，东到罗布泊洼地，北至天山山脉南麓，南至昆仑山脉北麓，大致在北纬37°-42°的暖温带范围内。
塔里木盆地属于暖温带气候，太阳年总辐射量达575～627千焦耳/平方厘米。年日照时数北部约3 000小时，南部不到3 000小时，多风沙和浮尘天气。年均温9～11℃，南部略高于北部。大陆性由西向东加强，冬季东部比西部冷，1月均温，若羌比和田低3.2℃，比喀什低2.4℃。冬季均温低于－20℃的寒冻日仅1～2天。7月均温25～27℃。10℃以上活动积温超过4000℃，南部高于北部；其持续期南部200天，北部190多天；积温年际变化大。无霜期超过200天，北部200～210天，南部大多达220天，气温年均日较差14～16℃，最大日较差25℃。
自然灾害主要是风沙和干热风：①风沙危害。8级以上的大风（风速大于17米/秒），一年超过20天的只有若羌、喀什、库尔勒。但盆地边缘植被覆盖度仅10%，沙漠中心基本无植被，而风速每秒5米即起沙，故南部沙暴天气年达30～40天。以东北风和西北风为主，盆地边缘沙丘南移现象严重。②干热风。重害地区为盆地东部，每年10～20天；盆地其他地区出现次数较少。
盆地水分主要来自西风气流，从中亚越过天山南脉河谷(如克孜河谷)或从准噶尔盆地越过天山垭口（如哈密、乌鲁木齐）进入盆地。盆地降水稀少，盆地西缘的乌什为85毫米，阿克苏57毫米；北缘的库车63毫米，库尔勒52毫米；南缘从西向东，阿图什78毫米，喀什65毫米，和田35毫米，若羌17毫米，盆地本身无法形成径流，但周围山区年降水量达200～400毫米，可汇成河流到达盆地。较大河流有南部的叶尔羌、克孜勒、盖孜、和田、克里雅、车尔臣（且末）等河，北部的阿克苏、台兰、渭干、库车及开都（下游称孔雀）等河。自然状态下，上述河流能汇纳到塔里木河；在大量引水灌溉情况下，现有水汇入塔里木河的，只有阿克苏、和田、叶尔羌3条大河。从周围山区流到盆地的年径流量约370亿立方米，东经84°以东面积占45%，产生年径流量18%，加上塔里木河向东输送的水量32亿立方米，实占26%；西部面积占55%，产生年径流量82%，减去向东输送部分，实占74%。
盆地东部的罗布泊是塔里木河终点，过去被称为游移湖，实际上湖本身并不游移。
塔里木盆地是一个典型的长期演化的大型叠合复合盆地。它发育在太古代-早中元古代的结晶基底与变质褶皱基底之上，震旦系构成了盆地的第一套沉积盖层。在震旦纪—第四纪，塔里木盆地经历了复杂的构造演化历史。
在塔里木获得最老同位素年龄的岩石和数据表明，塔里木盆地在中太古代甚至早太古代就已经发生了来源于亏损地幔的偏碱性玄武岩浆的喷溢活动，岩浆的侵入形成了塔里木盆地原始的陆核。
早元古代是本地区地壳快速增长的重要时期，也是由陆核发展成为陆块的时期。早元古代兴地期，广泛而剧烈的构造运动，使岩石产生强烈变形，最后使塔里木陆块、柴达木陆块和准噶尔微陆块聚合连成一片。
经过中元古代末兴地期克拉通化后，聚合在一起的塔里木陆块重新裂离，并在陆块内部产生了裂陷。
晚元古代，“远古南天山洋”和“远古昆仑洋”闭合消亡，古塔里木板块在经历太古宙陆核形成，早元古代稳定陆块增生发展和中—晚元古代构造演化后终于逐渐成型。
震旦纪是塔里木盆地发展史上一个转折时期。塔里木运动之后，统一的古塔里木板块形成。震旦系作为塔里木板块克拉通盆地的第一个沉积盖层而覆盖了塔里木盆地。
早震旦世，在塔里木板块边缘和内部发育大陆裂谷盆地。他们与地幔上隆、地壳变薄和伸展有关。晚震旦世继续拉张，在塔里木主体部位形成克拉通内张盆地。沉降速率较早震旦世明显降低。
寒武至奥陶纪塔里木板块北部由于天山微陆块继续向北运动而进一步扩张，地幔物质侵入形成洋壳。洋盆发展结果导致塔里木板块北与哈萨克斯坦板块分离，南与羌塘板块相隔。寒武系—下奥陶统是盆地主要的生油岩之一。
奥陶纪末，由于塔里木大陆板块大陆边缘早古生代的“天山多岛有限洋盆”和“库地—奥依塔格洋盆”俯冲消减和微板块的碰撞所产生的加里东中期运动，对塔里木板块及其边缘的构造演化具有重要的影响。这期运动可能是塔里木板块南北边缘化为主动边缘的反映。
志留纪开始，南天山洋由东向西逐渐闭合；泥盆纪末，塔里木板块与哈萨克斯坦板块碰撞拼贴；库地洋于泥盆纪晚期闭合，中昆仑地块拼贴到塔里木板块之上。经过这一时期一系列的构造运动之后，塔里木腹部形成了大型克拉通内挤盆地，具有独特的沉降史和构造特征。
石炭—二叠纪是塔里木板块由古全球构造运动体制新全球构造运动体制转化的过渡时期，即由早古生代边缘多中心不对称扩张、微陆块与多岛有限洋盆、弧后盆地间“手风琴”式此张彼合运动、单向俯冲与软碰撞关闭的构造运动体制向威尔逊旋回式的洋中脊大规模对称扩张、“传送带”式俯冲消减、沟弧盆体系同时发育的新全球板块构造运动体制过度。
从三叠纪开始，塔里木进入陆盆演化阶段，主要受控于亚欧大陆南缘特提斯洋的周期性俯冲消减和闭合作用，同时与盆地基地核挤压隆起或山系发展有关。
侏罗纪—古近纪，塔里木盆地形成演化与欧亚大陆南缘的一系列碰撞时间有关，如侏罗纪晚期的拉萨碰撞和白垩纪晚期的科希斯坦碰撞事件等。每一期碰撞都使围限塔里木盆地山系和基底核挤压隆起发生周期性复活，形成向盆地内的挤压逆冲构造，在冲断带前缘发育前陆盆地。
新近纪—第四纪，随着印度板块对欧亚板块的俯冲与碰撞，及碰撞后印度板块向欧亚板块楔入所产生的远程效应的影响，天山和昆仑山大幅度隆升推覆。碰撞后，印度板块仍然继续向北俯冲，西昆仑造山带受强烈挤压收缩和抬升，北部岩块长距离逆冲在塔里木盆地之上，加剧了塔里木板块岩石的挠曲程度。
西昆仑山，天山褶皱强烈上升，并伴随着走滑断层系活动，盆地相对下降形成统一的由造山带包围的塔里木盆地。
“塔里木”，在维吾尔语中即河流汇集之意。旧时喀什噶尔河、渭干河等也汇入塔里木河，后因灌溉耗水过多，与塔里木河间已断流。水源充足的山麓地带已发展为灌溉绿洲，著名的有库尔勒、库车、阿克苏、喀什、叶城、和田、于田等。塔里木盆地是中国最古老的内陆产棉区，光照条件好，热量丰富，能满足中、晚熟陆地棉和长绒棉的需要。昼夜温差大，有利于作物积累养分，又不利害虫孳生，是中国优质棉种植的高产稳产区。瓜果资源丰富，著名的有库尔勒香梨、库车白杏、阿图什无花果、叶城石榴、和田红葡萄等。木本油料的薄壳核桃种植也很普遍。和田的地毯编织和桑蚕都发达。
塔里木盆地是中国最大的含油气沉积盆地。目前已探明油气资源总量约为160亿吨油当量，被地质学家称为21世纪中国石油战略接替地区。塔里木盆地油气勘探始于1952年的中苏石油股份公司，塔里木油田1989年建成投产后，逐渐成为中国西部的能源经济中心。原油产量不断增长，天然气产量也从2004年的约14亿立方米猛增至2009年的181亿立方米，成为“西气东输”工程的主力气源之一。
截至2015年，可探明油气资源总量168亿吨，油气探明率14.6%已发现和探明大型油气田30多个年油气产量当量超2500万吨，油气产量当量年均增长百万吨。
2015年9月14日，中国科学家发现塔里木盆地实际上蕴藏着巨大的水资源，其蓄水量是北美洲五大湖总和的10倍。
盆地地下水的补给主要来自河床、渠道及田间渗漏，地下水动储量为110～148亿立方米；提高灌溉管理水平后，动储量还有70多亿立方米。地下水的合理利用，对解决盆地春季缺水和保护生态环境都有一定意义。此外，盆地内还有相当数量的地下水静储量，尤其在新生代沉积深厚的拗陷带内，如库车拗陷、喀什一叶尔羌拗陷。弄清水资源的数量和质量，适量开采，对增加水资源也有一定意义。
