吉木薩爾縣位于天山山脈東段北麓、準噶爾盆地南緣，北緯43°30′～45°30′，東經88°30'～89°30′，東同奇臺縣為鄰，西與阜康市接壤，北越卡拉麥里山和富蘊相連，南以博格達山分水嶺同吐魯番市、烏魯木齊縣為界。縣城距烏魯木齊公路里程165千米，距昌吉回族自治州首府昌吉市200千米，東離伊州550千米，吐烏大高等級公路、國道216線及省道303線貫穿全境，交通便利。

吉木薩爾意為“金滿城”，漢（74年）置戊校尉，耿恭屯田，為西域門戶；唐（702年）設北庭都護府，為天山北麓的政治、軍事中心和交通樞紐；元設行尚書省，改稱別失八里；清稱濟木薩，1902年建孚遠縣，1950年，屬迪化專區，全縣設置5區、2街，5區：一區（北庭區）、二區（后堡子區）、三區（三臺區）、四區（泉子街區）、五區（大有區），2街：縣城街和三臺街，轄17個鄉。1954年2月，歸烏魯木齊專區管轄，縣名由孚遠改稱吉木薩爾縣，轄7區24鄉。1956年，設吉木薩爾鎮。1958年，改屬昌吉回族自治州，撤區、鄉，建立東風、國慶、三臺、泉子街、天山、紅旗6個公社。1959年又建城鎮公社。1964年，紅旗公社改制為地方國營農場(歸天龍總場，1975年又劃歸新疆生產建設兵團農六師)，1965年，城鎮公社復建為吉木薩爾鎮，時轄1鎮5公社。1981年，東風、國慶、天山公社更名為二工、北庭、大有公社。1984年，吉木薩爾縣恢復鄉鎮建制時，從三臺公社析出老臺大隊、慶陽湖大隊分別建立老臺鄉、慶陽湖鄉；從大有公社析出新地大隊建立新地鄉；三臺公社變更為三臺鎮，至此轄2鎮7鄉。1995年，泉子街鄉撤鄉建鎮；2001年，北庭鄉撤鄉建鎮；2010年，二工鄉撤鄉建鎮；2012年，大有鄉撤鄉建鎮；2022年設立五彩灣鎮。

縣域總面積8848平方千米，南部山區面積436平方千米，以云杉為主的針葉林，四季常青，豐富的水草是天然牧場，中部平原面積2828平方千米，占縣域面積的22%，是吉木薩爾縣主要農作物種植區。北部屬古爾班通古特沙漠，面積達6719.9平方千米，占全縣面積的53%，沙丘多呈北西向展布的壟狀，鏈狀及少量新月狀沙丘，洼地上生長著耐旱的梭梭、檉柳、小灌木等植物。

境內已探明礦產資源30余種，素有“油盆煤海氣庫”之稱，預測石油資源量18億噸、天然氣1000億立方、油頁巖46億噸、煤炭儲量1600億噸以上。農特產品豐富，享有中國“白皮大蒜之鄉”“高淀粉馬鈴薯之鄉”“黑加侖之鄉”“紅花原產地之鄉”的美譽，注冊有吉木薩爾大蒜、紅花原產地證明國家商標，擁有中國馳名商標1家，新疆著名商標3家。野生動物有野驢、黃羊、普氏野馬等。主要景點有北庭故城國家考古遺址公園（AAAA級景區）、千佛洞景區（AAAA級景區）、車師古道景區（AAA級景區）、古海溫泉景區（AAA級景區）、庭州灣公園（AAA級景區）、天地園（AAA級景區）、北庭園（AAA級景區）、吉木薩爾北庭國家濕地公園（AAA級景區）。屬溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷、夏季炎熱，降雨量少，日光充足，空氣干燥，晝夜溫差大，春夏季多風，四季分明，平均年日照時數為2754.1小時，年平均氣溫9℃。