可可西里地處青藏高原腹地，平均海拔在4600米以上，最高峰為北緣昆侖山布喀達坂峰(亦稱新青峰或莫諾馬哈峰)，海拔6860米；最低點在豹子峽(昆侖山南麓紅水河橫穿博卡雷克拐彎處)，海拔4200米。區內地勢南北高，中部低，西部高而東部低。可可西里山和冬布勒山橫貫本區中部，山地間有兩個寬谷湖盆帶，地勢較平坦。海拔5500米～6000米以上的山地，有現代冰川發育。如布喀達坂峰(6860米)，馬蘭山(6813米)，少數超過5600米的山峰也有小規模冰川分布，如東崗扎日(5882米)，冰川總面積達1700多平方公里。

　　本區是羌塘高原內流湖區和長江北源水系交匯地區。東部為楚瑪河為主的長江北源水系，主要為雨水、地下水補給，水量較小，河流往往是季節性河流。西部和北部是以湖泊為中心的內流水系，外于羌塘高原內流湖區的東北部，湖泊眾多。據統計，面積大于1平方公里的湖泊有107個，總面積3825平方公里，其中面積200平方公里以上的湖泊有7個。最大的為烏蘭烏拉湖，湖水面積為544.5平方公里。

　　本區氣候特點是溫度低、降水少、大風多、區域差異較大。境內年平均氣溫由東南向西北逐漸降低，在西金烏蘭湖地區有一明顯暖區，最暖區年均溫為-4.10℃，最冷為最西邊的勒斜武擔措，年均溫為-10.00℃(推算值)，最低氣溫-46.40℃，其它地區均在兩者之間。

　　可可西里地區年平均降水量分布趨勢是由東南向西北逐漸減少。在173～495毫米之間。本區風大，是全國風速高值區之一，在風力較弱的季節。西金烏蘭湖附近仍出現瞬時風速為24.0米/秒的大風(1990年7月9日16時47分)，年平均風速分布由東向西增大。區內的土壤類型簡單，多為高山草甸土、高山草原土和高山寒漠土壤，其次為沼澤土，零星分布的有沼澤土、龜裂土、鹽土、堿土和風沙土。土壤發育年輕。受凍融作用影響深刻。

　　區域內由于受到地理位置、地勢高低、地形坡向及地表組成物質等各種水熱條件分異因素的影響，自然景觀自東南向西北呈現高寒草甸-高寒草原+高寒荒漠更替。其中高寒草原是主要類型。高寒冰緣植被也有較大面積的分布，高寒荒漠草原、高寒墊狀植被和高寒荒漠有少量分布。高寒草甸、高寒沼澤僅分布在極個別的地區。

　　本區生物區系種類少，但青藏高原特有種比例大，且種群數量大。據多年觀察，哺乳動物有29種，其中11種為青藏高原特有，鳥類53種，爬行類1種，魚類6種。區內高等植物有102屬，202種，其中青藏高原特有種84種，占全區種類的41.56%。本區的特有生物種類不但是我國的珍稀動植物，而且為世界上所矚目，在學術上和自然保護上均十分重要。