敦煌市地处甘肃省西北部，东西分别与瓜州县、肃北蒙古族自治县和阿克塞哈萨克族自治县相接。敦煌位于甘肃、青海、新疆三省（区）的交汇点，东有三危山，南有鸣沙山，西面是沙漠与罗布泊相连，北面是戈壁，与天山余脉相接。介于东经92°13′—95°30′，北纬39°40′—41°40′之间，总面积3.12万平方千米，其中绿洲面积1400平方千米，仅占总面积的4.5%。

敦煌市南北高，中间低，自西南向东北倾斜，平均海拔1139米。市境东有三危山，南有鸣沙山，西面是沙漠，与塔克拉玛干相连，北面是戈壁，与天山余脉相接。

敦煌市属典型的暖温带干旱性气候，气候干燥，降雨量少，蒸发量大，昼夜温差大，日照时间长。四季分明，春季温暖多风，夏季酷暑炎热，秋季凉爽，冬季寒冷。全年日照时数为3246.7小时，年平均降水量42.2毫米，蒸发量2505毫米，年平均气温9.9℃，最高气温41.7℃，最低气温-30.5℃。年平均无霜期152天。