Sahəsi təqribən 350 000 km² (135.000 mil²) -a yaxın olan Qaraqum səhrası şərqdən qərbə 800 km, şimaldan cənuba 500 km məsafədə uzanır. Şimaldan Sarıqamış gölünün hövzəsi ilə, şimal-şərq və şərqdən Amudərya çayı ilə, cənub-şərqdən Qarabil təpəlikləri və Badxız çöllü-təpəli (steplər) regionu ilə, cənub və cənub-qərbdən Kopetdağ silsilələri ilə, qərb və şimal-qərbdən isə qədim Uzboy çayının vadisi ilə sərhədlənir.

Səhra üç hissədən ibarətdir : səhranın şimal, şimal-qərb hissələri Zaunquz Qaraqumu, mərkəzi hissəsi Mərkəzi Qaraqum, cənub, cənub-şərq və şərq hissələri isə duz bataqlıqları ilə zəngin olan Cənub-Şərq Qaraqumu adlandırılır.

Səhranın şimal-qərb hissəsində eol mənşəli (küləyin yaradıcı fəaliyyəti nəticəsində yaranan təbii landşaft) təpəciklər və tirələr vardır. .

Zaunquz Qaraqumu güclü küləklərin denudasiya proseslərinə məruz qalaraq, səth hissəsi kəskin aşınmaya və eroziyaya uğramışdır.

Mərkəzi Qaraqum Xəzər dənizi sahillərindən, Amudərya çayının vadisinə qədər olan hamar səthi əhatə edir. Burada, küləyin landşafta təsiri daha böyük olub, səthdə 75-90 metr hündürlükdə dyunlar əmələ gətirmişdir. Həmçinin, Mərkəzi Qaraqum ərazisinin 10%-ni ayparaşəkilli barxanlar təşkil edir. Bəzi barxanlar hətta, 9 metrə qədər hündürlükdə olurlar. Böyüklüyü və hündürlüyü ilə fərqlənən barxanların üzəri əsasən, gil təbəqəsi ilə örtülü olur. Bu da, illik təqribən 70 mm düşən yağıntının nəticəsi kimi izah edilir. Gilli-boz torpaqların yayıldığı bölgələr, əsasən, səhranın qərb, cənub-qərb və cənub hissələridir.

İllik düşən yağıntının miqdarı səhranın bəzi hissələrində, üzümçülüyün inkişafı üçün əlverişli iqlim yaradır.

Səhranın cənub-qərb hissələrində duzlu ərazilər vardır. Bu ərazilər "Solonçaklar" (Solonchaks) adlandırılır. Solonçaklar quraq iqlim şəraitində duzlu su hövzələrinin təbii buxarlanması nəticəsində və antropogen yolla, qum altındakı suyun qurudulması ilə yaranır.

Təqribən 30 milyon il öncə, Qaraqum bölgəsi tamamilə suyun altında olmuşdur (çox güman ki, bu, Tetis okeanı idi). Orogen mənşəli dağəmələgəlmə prosesləri nəticəsində, Turan ovalığının cənub hissəsi qalxmış, və bu su hövzəsi yox olmuşdur. Daha sonra, Amudərya çayı əmələ gələrək, öz yatağı boyunca allüvial-çay çöküntülərini toplamış və kontinental-mülayim iqliminə uyğun olaraq Qaraqum səhrasını formalaşdırmışdır. Təsadüfi deyil ki, Qaraqum səhrasının qumu Pamir dağlarının 40-a yaxın minerallarının qırıntılarını ehtiva edir. Amudərya çayı milyon illər öncə, çox qısa olmuş, geoloji proseslər nəticəsində, səhranın cənub hissəsi qalxaraq onu Aral gölünə çatdırmışdır.

Qaraqum səhrasının iqlimi mülayim-kontinental səhra iqlimidir. Kontinental, uzun, isti və quru yayı, gözlənilməz amma mülayim qışı ilə fərqlənir. Səhranın şimal hissəsi və Xəzər dənizinin sahilləri boyunca İyul ayının orta temperaturu +26 °C və +28 °C arasında dəyişir, Mərkəzi Qaraqumda isə, +30 °C-dən +34 °C-dək dəyişə bilir. Yanvar ayının orta temperaturu səhranın şimal hissələrində -4 °C, cənub hissələrində isə +4 °C təşkil edir. Qış aylarında iqlimin kontinentallığı səbəbilə, hətta, Yanvar ayında temperatur, -20 °C ilə +10 °C arasında tərəddüd edə bilər. Yağıntı cənubda 150 mm (6 düym) , şimalda isə 70 mm (2.75 düym) düşür. Yağıntı əsasən, qışda və yazın əvvəllərində düşür, ilboyu düşən yağıntının yarısından çoxu Dekabrdan Aprelə qədər düşür. Qar nadir hallarda görülür. Əsasən, səhranın cənubundakı yüksəkliklərə və şimalına (iqlimin nisbətən soyuqluğu səbəbindən) qar düşə bilir. Mülayim şimal və şimal-qərb küləkləri üstünlük təşkil edir.

Bitki örtüyü səhra landşaftına xas olaraq kasıb, ancaq növ baxımından nisbətən zəngindir. Əsasən, ot, kiçik kol, kol və ağaclardan ibarət bitki örtüyü xasdır. Erkən yazda hava nisbətən rütubətli olduğu üçün, tipik otlar və yovşan-efemer , yovşan kolluqları bitir.

Səhrada "Astragalus" adlı kol tez-tez rast gəlinir. Rütubətin nisbətən yüksək olduğu ərazilərdə "Ammodendron" adlı ağac növü də bitir. Yeraltı suların səthə yaxın olduğu ərazilərdə Qara Saksaul, yeraltı suların dərində yerləşdiyi ərazilərdə isə Ağ Saksaul bitir. Saksaul səhranın ən tipik bitkisi hesab olunur.

Səhrada bitən ot və bitki örtüyü Türkmənistanın heyvandarlığına (qoyunçuluq, dəvəçilik) böyük təsir göstərir.