可可西里位于青海省南部的玉树藏族自治州西部。它是一块横跨青海、新疆、西藏三省区之间的高山台地。西与西藏相接，东至青藏公路。南致位于乌兰乌拉山的格尔木唐古拉乡（唐古山乡）及治多县界。北达昆仑山脉的博卡雷克塔克山与新疆维吾尔族自治区相连。其大致范围是昆仑山脉以南，乌兰乌拉山以北，青藏公路以西至西藏的这片地区。其经纬度为：东经89.25°～94.05°，北纬34.19°～36.16°。总面积约4.5万平方公里。其核心区域是可可西里山与乌兰乌拉山致冬布勒山之间，面积1.55万平方公里。

    地理意义上的可可西里是以可可西里山为主的邻近山原湖盆地区。它横跨青海和西藏两个省区，面积约为23.5万平方公里，其中在青海境内的面积约为8.4万平方公里。

    可可西里山又称可可稀立山，是昆仑山脉南支。西起西藏自治区东北部木孜塔格峰（海拔7723米）之南，东接青海省西南部巴颜喀拉山。为东西走向全长约500公里，平均海拔6000米，主峰岗扎日，海拔6305米。可可西里山脉东、西两侧海拔较低，青藏公路经过此山的东段。
    可可西里山东接巴颜喀拉山，二者同为中国三叠系分布最广、发育最好地区。山体大致为一巨大复向斜，三叠系位于轴部，二叠纪地层出露于两翼；与褶曲轴面近于平行的逆冲断构造亦极发育。藏北玛尔盖茶卡北岸，所见二叠纪灰岩竟逆冲于羌塘高原北部第三纪砂砾层之上，成为飞来峰。

    在可可西里东部高地，海拔约5301的地方，距错仁德加湖（叶鲁苏湖）约一百五十公里处，便是长江北源楚玛尔河的发源地之一——楚玛尔河北源所在。它曲折向西南流转至海拔4780米处便与它的西源汇合。楚玛尔河的西源也发源于可可西里山，源头在黑脊山南麓，分水岭海拔5432米，出山后，向南转东南流至一咸湖，出湖东流经另一咸湖，之后与北源汇合。南北两源汇合后蜿蜒东流96公里后从南部注入叶鲁苏湖，从东侧出湖后再曲折东流约78公里后至平顶山小河口，接着又向东流约43公里至楚玛尔河沿(地名)与青藏公路相交。之后辗转向南，在当曲的河口下游二百多公里处，汇入通天河。

    楚玛尔河自分水岭起算，全长526.8公里。楚玛尔河流域上游地区属于可可西里的一部分，可可西里是是羌塘高原内流湖区和长江北源水系交汇地区，它与新疆的阿尔金、西藏的羌塘相连接。是世界第三中国最大的一片无人区，世界三大无人区分别是：撒哈拉沙漠、南极洲和可可西里。目前，这里是中国大型野生售类动物分布数量最多的区域，也是最后一块保留着原始状态的自然之地。

    在可可西里自然保护区内，中部较低缓，西部高而东部低，除南北边缘为大中起伏的高山和极高山外，广大地区为中小起伏的高山和高海拔丘陵、台地和平原。这里平均海拔在4500米以上，最低4200米(红水河峡谷，又称豹子峡)，最高海拔6860米(青新峰，亦称布喀达坂峰，青海省第一高峰)。

    这里的气候干旱而寒冷，为典型的高寒气候特征。年均温为-10.0℃～4.1℃，最低气温为-46.4℃。最冷月为1月。最热月在7月，但也有少数地区出现在6月或8月。年均降水量在173～495mm之间，由东南向西北逐渐减少。降水主要集中在5～9月份，占年降水量的90%以上。由于受高空强劲西风动量下传的影响，成为整个青藏高原和全国风速主值区之一，年均风速分布由东南、东北向腹地及西部逐渐增大，等值线基本呈“喇叭口型”。风速在8.0～3.5m/s之间。