乌鲁木齐最高海拔5445米，最低海拔490.6米，市区平均海拔800米。乌鲁木齐地势起伏较大，南高北低。山区很宽，占总面积的50%以上。乌鲁木齐的高差很大。最高点为天山博格达峰，最低点位于孟津水库大运河南侧。两地高差为4954.4米。

乌鲁木齐位于中国西北部、新疆中部、欧亚大陆腹地、北天山北麓和准噶尔盆地南部。东起察克马尔克塔格至大河，与吐鲁番接壤；西部以头屯河和昌吉市为界；在南部，卡拉塔格-克孜勒与南山矿区相连，突出部分转向东南，沿威日罗-阿拉沟以东与托克森县相连。夏则阁岭三号线以南与和硕县毗邻；西南与河静县毗邻；北面沿博格达岭与吉木萨尔县和阜康市接壤。

乌鲁木齐最北端位于头屯河下游，距五家渠市3.5公里，最南端位于阿拉沟以南的下格泽岭，南北距离约153公里；该市最东端位于高崖子牧场以东的石窑子艾肯谷，最西端位于胜利大坂以西的天格尔岭，东西最大长度约190公里。

乌鲁木齐三面环山，北部平原开阔。东部有博达山、卡拉塔格山和东山；西部有卡拉扎山和西山；南部有伊林哈比尔加东段（天格尔山）、图格达·班塔格等，该地区地势由东南向西北递减，大致分为三级：第一级为山地，海拔2500-3000米或更高；第二级为山间盆地和丘陵，海拔1000-2000米；第三层为平原，海拔600米以下。