甘肃敦煌西湖国家级自然保护区位于甘肃省酒泉市敦煌市西部，西邻库姆塔格沙漠和罗布泊，南接阿克赛哈萨克族自治县，北连新疆维吾尔自治区哈密市，地理坐标为东经92°45′～93°50′，北纬39°45′～40°36′。
保护区位于甘肃省河西走廊的西端，地势南高北低，自东向西微倾斜，平均海拔1138米。南部阿尔金山平均海拔3100米以上，最高峰阿尔金山5798米，北部湾腰墩海拔高度960米。保护区内戈壁面积最大，是阿尔金山山前洪积倾斜平原，从海拔3800米下降至海拔1100米。保护区属敦煌盆地的一部分，为河西走廊的最低点。地貌主要有沙漠、戈壁、裸石山地、湿地草丛、荒漠植被区五种类型。
保护区属温带大陆性极干旱荒漠气候，冬季严寒，夏季酷热，秋季凉爽。全年平均气温9.9℃，最热月7月为26.7℃，最冷月1月为-10.4℃。气温日较差大，最高达29℃。日照时间长，全年日照时数3246.7小时，日照率达73%。太阳总辐射全年为641.84千焦/平方厘米。年平均降水量39.9毫米。全年平均风速2.2米/秒。
保护区土壤分风沙土、棕漠土、盐土、草甸土、沼泽土5个土类。