可可西里位于西藏那曲地区,地处青藏高原腹地,平均海拔在4600米以上,最高峰为北缘昆仑山布喀达坂峰(亦称新青峰或莫诺马哈峰),海拔6860米;最低点在豹子峡(昆仑山南麓红水河横穿博卡雷克拐弯处),海拔4200米。区内地势南北高,中部低,西部高而东部低。可可西里山和冬布勒山横贯本区中部,山地间有两个宽谷湖盆带,地势较平坦。海拔5500米~6000米以上的山地,有现代冰川发育。如布喀达坂峰(6860米),马兰山(6813米),少数超过5600米的山峰也有小规模冰川分布,如东岗扎日(5882米),冰川总面积达1700多平方公里。
本区是羌塘高原内流湖区和长江北源水系交汇地区。东部为楚玛河为主的长江北源水系,主要为雨水、地下水补给,水量较小,河流往往是季节性河流。西部和北部是以湖泊为中心的内流水系,外于羌塘高原内流湖区的东北部,湖泊众多。据统计,面积大于1平方公里的湖泊有107个,总面积3825平方公里,其中面积200平方公里以上的湖泊有7个。最大的为乌兰乌拉湖,湖水面积为544.5平方公里。
本区气候特点是温度低、降水少、大风多、区域差异较大。境内年平均气温由东南向西北逐渐降低,在西金乌兰湖地区有一明显暖区,最暖区年均温为-4.10℃,最冷为最西边的勒斜武担措,年均温为-10.00℃(推算值),最低气温-46.40℃,其它地区均在两者之间。
可可西里地区年平均降水量分布趋势是由东南向西北逐渐减少。在173~495毫米之间。本区风大,是全国风速高值区之一,在风力较弱的季节。西金乌兰湖附近仍出现瞬时风速为24.0米/秒的大风(1990年7月9日16时47分),年平均风速分布由东向西增大。区内的土壤类型简单,多为高山草甸土、高山草原土和高山寒漠土壤,其次为沼泽土,零星分布的有沼泽土、龟裂土、盐土、碱土和风沙土。土壤发育年轻。受冻融作用影响深刻。
区域内由于受到地理位置、地势高低、地形坡向及地表组成物质等各种水热条件分异因素的影响,自然景观自东南向西北呈现高寒草甸-高寒草原+高寒荒漠更替。其中高寒草原是主要类型。高寒冰缘植被也有较大面积的分布,高寒荒漠草原、高寒垫状植被和高寒荒漠有少量分布。高寒草甸、高寒沼泽仅分布在极个别的地区。
本区生物区系种类少,但青藏高原特有种比例大,且种群数量大。据多年观察,哺乳动物有29种,其中11种为青藏高原特有,鸟类53种,爬行类1种,鱼类6种。区内高等植物有102属,202种,其中青藏高原特有种84种,占全区种类的41.56%。本区的特有生物种类不但是我国的珍稀动植物,而且为世界上所瞩目,在学术上和自然保护上均十分重要。