包括新疆维吾尔自治区和内蒙古自治区的绝大部分，甘肃省的西部和宁夏回族自治区、陕西省、山西省、河北省的部分地区，约占全国陆地总面积的30%。依温度的差异，西北干旱气候可分为暖温带与中温带；依干湿状况不同，可分为干旱区和半干旱区（见表）。

西北地区位处亚欧大陆的中心，距离海洋遥远，四周多高大山脉，源自海洋的暖湿气流很少能够到达或已成强弩之末。来自南部的潮湿气流冬季难以越过秦岭，夏季则限于北纬37.5°以南，只有在少数情况下可以到达河西走廊，个别情况下可达南疆；从欧洲大陆南部经中亚由偏西气流送来的水汽大多在天山和帕米尔形成降水，气流过山后已变得非常干燥。西北干旱气候的存在，已有长期历史。自中生代末期以来，即陆续出现干旱和半干旱气候。与世界上大多数干旱区不同，中国西北干旱区不在受副热带高压下沉气流控制的副热带，而是位于青藏高原北侧的中纬度欧亚大陆中部，它是在一种特殊的地形条件下形成的。

根据古气候重建和数值模拟结果，青藏高原隆起之前，东亚大气环流型与现今差异极大，西北地区气候同现代很不一样，而且在高原隆升的各个阶段，这些地区古气候亦有明显差异。一般认为，由于青藏高原的存在，其屏障作用阻挡了湿润季风气流的北进，切断了主要的水汽来源（平均而言，高原北侧的大气湿度不足南侧的1/3），造成中国西部的干旱。从印度洋、阿拉伯海向北侵袭的热带季风，在高原南侧被迫上升，造成印、缅一带的大量降水。在到达高原上空时，水分已大为减少，因此高原夏季雨量并不大。同时，高原强大的热源和有组织的上升运动，是作为补偿的高原四周下沉气流的一部分，在西北地区上空始终存在，这是西北干旱气候形成的又一环流背景。并且根据数值模拟的无高原、半高原和全高原的情况，青藏高原热源的强度、上升运动的强度，以及高原北侧下沉气流的强度随高度增长有规律地增强，从动态上说明高原隆起在西北干旱气候发展中的作用。此外，西风气流在高原北侧绕流时形成高空脊和反气旋辐散环流，也加强了西北干旱区的下沉气流。

中国西北干旱气候与北非、西南亚、中美洲、澳大利亚等副热带高压控制下的干旱气候不仅存在成因上的根本差异，而且具有典型的温带干旱大陆性气候特征。

西北干旱区年降水量分布极不均匀。随着距海洋里程的增加，降水量从东向西递减（新疆西部除外），绝大部分地区年降水量在400毫米以下，大大低于北半球同纬度的平均降水量（据计算，北纬40º～50º的大陆部分，平均年降水量约510毫米），不仅是中国最少雨的地方，也是北半球同纬度最干旱的区域。在温都尔庙-百灵庙-鄂托克旗-定边一线以西的广大干旱地区，年降水量不足200毫米。准噶尔盆地全年降水量100～200毫米，巴丹吉林沙漠大多在100毫米以下，塔里木盆地中、东部降水更在10毫米以下。特别是东疆盆地的托克逊，多年平均降水量只有3.9毫米，创全国现有降水的最小纪录。1968年只下过两次雨，6月21日一次为0.4毫米，8月20日一次为0.1毫米，全年总计0.5毫米。

西北干旱区降水不仅少，而且很不稳定，亦即雨量的季节变化和年变率很大。通常降水量愈少的地方变率愈大，平均年变率东部草原地带为25%～40%，西部荒漠多在40%以上，甚至超过50%，局部极端干旱地区一年甚至连续几年滴雨不降。降水量的季节分配也极不均匀，冬季大部分沙区不足10毫米，占全年降水量的10%以下；夏季相反，几乎集中了全年降水的70%以上。而雨季又往往是集中在少数几天内，有时一、二天的暴雨竟相当于半年的降水量，甚至形成特大暴雨和洪水灾害。但就一般情况而言，能够达到一次降水10～15毫米的机会是不多的。由于蒸发旺盛，一次降水量不足10～15毫米，顷刻间就蒸发殆尽，对农作物和牧草的生长几乎不起作用。

西北地区虽然受不到太阳光的垂直照射，但因云量少，空气干燥，与同纬度地区比较相对日照百分率是最高的，一般在70%以上，年日照时数2800～3400小时。其中，以内蒙古西部、新疆东部和河西走廊地区最多，在3400小时左右，为全国高值区；特别是夏季白昼时间长，所获得的太阳辐射热量十分充足。区内大部分沙漠地带，年总辐射超过4700兆焦耳/平方米，比同纬度的华北和东北地区多600～840兆焦耳/平方米，比长江流域中下游多1250～2100兆焦耳/平方米。因此，光照资源丰富，在全国仅次于青藏高原。

西北内陆盆地与中国同纬度其他地区相比较，气温偏高。这是除日照时间长、太阳辐射能较多外，还由于地面干燥、太阳能消耗于蒸发较少，而用于增加地面和低层空气温度较多之故。加之盆地地形效应，使得夏季灼热的空气不易外流，冬季冷空气流动也受到一定的阻隔，越过山地后又有下沉增温作用。年平均气温变化在0～10℃，其递变趋势基本上是随纬度的增加、海拔的上升而降低，等温线大都被高山、高原分割成不规则的闭合或半闭合带状分布。从黄土高原西部到天山南北的广大地区，≥0℃的天数变化在180～240天，≥0℃的积温变化在2200～4500℃。其中，吐鲁番盆地≥0℃日数长达275天，积温为5500℃以上，是西北最高者。≥10℃的日数和积温的分布也有同样的规律，活动积温在北疆、河西走廊、阿拉善高原和黄土高原西部为2000～4000℃，热量最丰富的塔里木盆地和吐鲁番盆地为4000～5400℃。可满足作物两年三熟耕作制的热量要求，但应注意霜冻对作物的影响。

冬季最冷月平均气温，在北疆为-10～-20℃；天山以南的塔里木盆地为-8～-10℃；准噶尔盆地东北边缘的富蕴，极端最低气温竟低至-51.5℃，是全国最低的记录之一。而在夏季，则由于大陆的强烈增温，深居内陆的沙漠地区又成为炎热的中心。盆地和平原最热月平均气温均大于22℃，河西走廊、准噶尔盆地、塔里木盆地为24～26℃，吐鲁番盆地高达33℃。吐鲁番虽然纬度处在北纬43º附近，但夏季6～8月的月平均气温均在30℃以上，极端最高气温曾达48.9℃，极端最高沙漠温度竟达82.3℃，故有火洲之称。受大陆性气候的影响，平均气温年较差一般在30～50℃，如巴丹吉林沙漠超过40℃，吐鲁番高达41.3℃，比非洲热带沙漠区的阿斯旺（年较差18.9℃）高出22.4℃。西北干旱区不仅气温年较差大，而且日较差也很大，充分显示出大陆性气候特色。各地昼夜温差一般都在10～20℃以上，最大可达35～40℃，比同纬度的东北、华北区都大。早穿皮袄午穿沙，围着火炉吃西瓜的谚语，形象地表达了这里气温的剧烈变化。气温日变化大，有利于作物体内营养物质的积累，特别是甜菜、瓜果糖分的积累。但气温日振幅过大，也会增加霜冻的威胁。西北干旱区生长季气温较高，利于栽培温带作物，甚至水稻、棉花等喜温作物。

西北干旱区天气的非周期性变化剧烈，寒潮、冷锋、气旋、阵雨等天气过程，均比其他气候区显著。特别是戈壁、沙漠地带，常年有风。隆冬时节，这里靠近全世界最强大的蒙古高压中心，朔风怒吼，异常干冷；春秋两季冷暖气流激烈交绥，乍暖乍寒，尤多风沙；夏季为低压所控制，多垂直气流，还有热东风（干热风）。山脉北麓地带则多焚风，如乌鲁木齐市的东南风、伊犁河谷的东风都具有焚风效应。至于风速的年变化，一般在春季和初夏风速最大，这与该季冷锋和高空槽过境较多，以及冷暖平流作用强盛有关。

受气压分布形势和大气环流的影响，西北干旱区在风速的地域分布上具有北大南小的特点。尤其是一些山谷隘口地带，风力更大，如阿拉山口、达坂城、七角井等地，都是著名的风口。甘肃瓜州县处在东北风和西北风两个风向交叉点上，全年平均有80天（最多年份达105天）出现超过8级（风速≥17.2米/秒）的大风，素有世界风库之称。当地群众说这里是一年一场风，从年初刮到年终。准噶尔盆地的阿拉山口，8级以上大风年平均164天，最高风速55米/秒，年平均风速7米/秒。这三项纪录在中国均居首位，被称为第一大风口。附近的艾比湖有风湖之称。

西北干旱区在风季（指一年中风相对较大或风灾比较频繁的期间，多在3～6月），风速达到5米/秒以上的起沙风是经常可见的；加之地表大部分为疏松的沙物质，易受风力吹扬，造成风沙弥漫。特别是沙漠地区的风沙日，一般在20～100天，其中沙暴（沙暴是由于风速大，吹起地表沙尘，使空气浑浊、水平能见度≤1000米的天气现象）天气多达35～60天，浮尘天气达100天以上。例如塔里木盆地，8级以上大风有35～40天，浮尘天气超过100天，和田至且末间甚至高达200天。腾格里沙漠西南边缘的民勤绿洲，一年中平均有133.5天风沙弥漫，能见度极低。这种飞沙走石的尘暴天气，在全年均可出现，但以春季和夏初最多。每年风季由于地面气温急剧升高，引起强烈的热对流，风沙卷起，形成一幅巨大的尘幔，遮蔽整个地平面和半个天空，能见度甚至降低为零。沙暴时间虽仅几十分钟，沙暴过后一切又恢复平静，然而对农牧生产造成极大的损失，它能掩埋农田、渠道以至居民点，并往往产生一些次生灾害（如火灾、停电、停水等）；浮尘遮蔽阳光，对生产和生活影响也很大。例如1993年5月5日，席卷甘肃省河西走廊和内蒙古自治区西部的特大沙尘暴，造成直接经济损失约5.6亿元。此次沙尘暴高300～400米，平均风力8～10级，最大瞬时风力可达12级，距其1千米即可听到吼鸣之声。