乌苏市地跨准噶尔盆地和北天山山地两大地貌单元，地势南高北低，自南向北依次分为高山、中山、低山丘陵、绿洲平原、荒漠平原、沙漠区6个地形分区。乌苏市属于典型的温带大陆性气候，自南向北大致分为山地气候、山麓气候、平原气候和荒漠气候4个气候区。境内水系属于艾比湖流域，全部发源于天山支脉依连哈比尔尕山和博罗科努山北坡，主要包括奎屯河、四棵树河、古尔图河等。