盆地基底为前寒武纪结晶变质岩系。地势由西北向东南微倾，海拔自3000米渐降至2600米左右。地貌呈同心环状分布，自边缘至中心，洪积砾石扇形地(戈壁)、冲积一洪积粉砂质平原、湖积一冲积粉砂粘土质平原、湖积淤泥盐土平原有规律地依次递变。地势低洼处盐湖与沼泽广布。
因此柴达木盆地不仅是盐的世界(东南部多盐湖沼泽)，而且还有丰富的石油、煤，以及多种金属矿藏，如冷湖的石油、鱼卡的煤、锡铁山的铅锌矿等都很有名。所以柴达木盆地有"聚宝盆"的美称。
柴达木盆地属高原大陆性气候，以干旱为主要特点。年降水量自东南部的200毫米递减到西北部的15毫米，年均相对湿度为30-40%，最小可低于5%。盆地年均温均在5℃以下，气温变化剧烈，绝对年温差可达60℃以上，日温差也常在30℃左右，夏季夜间可降至0℃以下。风力强盛，年8级以上大风日数可达25-75天，西部甚至可出现40米/秒的强风，风力蚀积强烈。
