库车县，位于天山中部南麓，塔里木盆地北缘，东与巴音郭楞蒙古自治州的轮台县为邻，东南与尉犁县相接，南靠塔克拉玛干沙漠，西南与沙雅县相连，西以渭干河为界与新和县隔河相望，西北与拜城县接壤，北部与巴音郭楞蒙古自治州和静县毗连，属阿克苏地区东端。县境南北长193千米，东西宽164千米，全县面积1.52万平方千米，县城东距自治区首府乌鲁木齐市直线距离448千米，公路里程753千米，西距行署驻地阿克苏市直线距离227.5千米，公路里程257千米。
库车县地形北高南低，自西北向东南倾斜，最高海拔高程为4550米，最低海拔高程922米。可概括划分为北部天山山地，冲积扇形砾石戈壁地和南部冲积平原。北部山地面积为6854.43平方千米，深约80千米，山的走向多为东南走向，沟壑纵横交错，地形较为复杂，海拔在1700~4550米之间。靠山地区有762.18平方千米的冲积扇形砾石戈壁地，南部为冲积平原，面积7648.39平方千米，海拔在930至1225米之间，地形平坦。
库车县地处暖温带，热量丰富，气候干燥，降水稀少，夏季炎热，冬季干冷，年温差和日温差都很大，属暖温带大陆性干旱气候。由于境内地貌复杂，形成明显的区域性气候差异。
库车县境内主要河流有库车河（苏巴什河）、渭干河和塔里木河。
库车河发源于天山山脉木孜塔格山，年径流量3.31亿立方米，6、7、8月占总径流量的58.4%，灌溉面积15333.3公顷。渭干河发源于天山南麓哈雷克群山和汗腾格里峰，年径流量22.46亿立方米，库车县按39.5%分水，实际水量为8.87亿立方米，灌溉面积为44840公顷。塔里木河是通过库车南部的过境河流，由西向东横穿草湖地区，可灌溉一些草场。
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