塔里木河位于属于内流区的塔里木盆地，北部是天山山脉，南部是昆仑山山脉，属于温带大陆性气候，降水稀少，所以水源主要是来自天山和昆仑山的冰雪融水。
塔里木河的河水主要来自上游山地降水以及高山冰雪融水补给。从阿克苏河口到尉犁县南面的群克尔一带河滩广阔，河曲发育，河道分支多。洪水期无固定河槽，水流氾滥，分散，河流容易改道。在河谷洼地易形成湖泊、沼泽。群克尔以下河道又合成一支。
在历史上，塔里木河河道南北摆动，迁徙无定。1921年是最后一次迁徙，主流向东流入孔雀河流入罗布泊。1952年，由于在尉犁县附近建筑河坝，使其同孔雀河分离，河水复经铁干里克故道流向台特马湖。塔里木河中、上游有大规模水利设施，1971年建有塔里木拦河闸。此外，沿塔里木河沿岸还新建了许多农场。
塔里木河的水文特征① 为内流河，以冰雪融水补给为主
② 径流季节变化大
③ 冬春季河水封冻，有断流现象
④ 途径地区沙化严重，河水含沙量大。
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