吉木乃县位于新疆维吾尔自治区北部，准葛尔盆地北缘，萨吾尔山北麓，额尔齐斯河南岸。东与福海县毗邻，南与塔城地区的和布克赛尔相连，北接哈巴河、布尔津两县，西与哈萨克斯坦共和国接壤。总面积7145平方千米。

县境属大陆性北温带寒冷气候。县城无霜期151天，北沙窝无霜期126天。最高极端气温37.2℃，最低极端气温－38.8℃。县境气候干燥，降水量为202.2毫米。吉木乃县地处北疆北部，纬度偏北，远离海洋属大陆性北温带气候区。气候特征为春旱多风，夏季凉爽，秋季短暂，冬季寒冷而漫长。降水量少，蒸发量大，气候干燥；日照充足，气温日、年较差大，无霜期短，灾害性天气较多。因吉木乃县地形复杂，特别是地形差异大，因此将全县由南向北分为四个气候区:南部山区气候区,海拔1200米以上的区域;中部倾斜平原气候区,海拔600－1000米地区;北沙窝气候区,海拔450－600米。