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伊犁河谷位于天山西部，呈东南直向，河谷北、东、南三面环山，谷地呈三角形，东部顶点为特克斯河与巩乃斯河交汇处，西部底边朝向中哈边界，东高西低，地势由东向西倾斜，与周边的山地，构成“三山夹两谷”的地貌轮廓。
伊犁地处西北内陆腹地，境内分布着许多高山峻岭，有广阔的山间平原盆地和河谷地，南北天山呈V字形位于河谷两侧，它们是伊犁河谷的边界。伊犁河两岸为洪积冲积平原，谷地南部的盆地呈东窄西宽的楔形，主要为洪积冲积平原。伊犁河谷属于温带大陆性气候，早晚温差较大，但气候温和湿润。这里由于地处亚欧大陆深部，受周围高原及山地影响，太平洋及印度洋水汽难以到达这里，但由于谷地向西开口，遥远的大西洋暖湿气流随着西风来到此地，受地形抬升，山区迎风坡降水可达600 毫米，是新疆最湿润的地区。伊犁河谷有向西呈喇叭口形敞开的地形，来自大西洋的暖湿气流容易聚集，受地形抬升，这里多地形雨，同时北、东、西三面山地冰雪多，冰雪融水多，河谷地区，汇集了山地降雨和高山冰雪融水，地表水比较丰富，再加上地势海拔高，蒸发弱，从而成为“西域湿岛”。伊犁河也是新疆境内径流量最大的河流。伊犁河流域常年接受大西洋等水域水汽补给，同时南北两侧天山支脉山体高大，流域内大小冰川和永久积雪分布宽广，永久性冰川和积雪融水汇成新疆水量最大的河流——伊犁河。伊犁河上游为特克斯河、巩乃斯河和喀什河，在雅玛图汇合后称为伊犁河。它自东向西贯流，最终注入今哈萨克斯坦境内的巴尔喀什湖。