可可西里地处青藏高原腹地，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。