乌鲁木齐的最高海拔为5445米，最低处海拔为490.6米，市区的平均海拔为800米。乌鲁木齐地势起伏较大，南高北低，山地面积非常广，占总面积50%以上，境内海拔差较大，最高处为天山博格达峰顶，最低处在猛进水库的大渠南侧，两地高差4954.4米。
乌鲁木齐市位于中国西北，新疆中部，亚欧大陆腹地，地处北天山北麓，准噶尔盆地南部。东以恰克马克塔格至大河沿一线与吐鲁番市接壤；西以头屯河与昌吉市为界；南以喀拉塔格－克孜勒伊接南山矿区，突出部分折向东南，沿未日洛克－阿拉沟以东与托克逊县相连。在夏泽格山脊线3以南与和硕县毗连；西南与和静县为邻；北部沿博格达山脊与吉木萨尔县、阜康市分界。
乌鲁木齐市境最北点在头屯河下游距五家渠市3.5千米处，最南点抵阿拉沟以南夏格泽山脊，南北最宽处约153千米；市境最东点在高崖子牧场东边石窑子艾肯沟内，最西点在胜利达坂以西的天格尔山脊，东西最长约190千米。
乌鲁木齐市区三面环山，北部平原开阔。东部有博达山、喀拉塔格山、东山；西部有喀拉扎山、西山；南部有伊连哈比尔尕山东段（天格尔山）、土格达坂塔格等。辖区地势由东南向西北降低，大致分为三个梯级：第一级为山地，海拔2500-3000米或更高；第二级为山间盆地与丘陵，海拔1000-2000米；第三级为平原，海拔在600米以下。