Tân Cương chiếm khoảng một phần sáu diện tích toàn Trung Quốc và một phần tư chiều dài đường biên giới quốc gia. dãy núi Thiên Sơn (Uyghur: غات ىرڭەت, Tengri Tagh) chia tách khu tự trị thành hai bồn địa lớn: Bồn địa Dzungarian ở phía bắc và Bồn địa Tarim ở phía nam. Hầu hết bồn địa Tarim là sa mạc Taklamakan- điểm thấp nhất của Tân Cương, cũng như toàn Trung Quốc là Vệt lõm Turpan với cao độ 155 mét dưới mực nước biển, điểm cao nhất là K2, trên 8611 mét so với mực nước biển trên biên giới với Pakistan. Các dãy núi khác là Pamir ở phía đông nam, Karakoram ở phía nam và Dãy núi Altai ở phía bắc.

Hầu hết Tân Cương có kiến tạo địa chất trẻ, được tạo thành từ sự va đập của mảng Ấn Độ vào mảng Âu Á, định hình Thiên Sơn, Côn Lôn Sơn và dãy núi Pamir. Do vậy, Tân Cương là một khu vực động đất chính. Các hình thành địa chất cũ hơn xuất hiện chủ yếu ở khu vực cực bắc nơi Khối Junggar là một phần về mặt địa chất của Kazakhstan, và ở phía đông là một phần của Bình nguyên Hoa Bắc.

Tân Cương với vị trí biệt lập và rất xa biển. Điểm khó tiếp cận nhất trên đại lục Âu Á có tọa độ (46°16.8′B 86°40.2′Đ) nằm ở Sa mạc Dzoosotoyn Elisen, cách vùng biển gần nhất là 2648 km (1.645 mi) theo đường thẳng.

Dãy núi Thiên Sơn nằm trên biên giới Tân Cương-Kyrgyzstan có đèo Torugrat cao 3752 mét. Quốc lộ Karakorum (KKH) kết nối Islamabad, Pakistan với Kashgar trên Hành lang Khunjerab.

Vì là điểm cực tây của Trung Quốc, người dân địa phương sử dụng thời gian không chính thức là UTC+6, mặc dù múi giờ chính thức là UTC+8.