吉木乃县位于新疆维吾尔自治区北部，准葛尔盆地北缘，萨吾尔山北麓，额尔齐斯河南岸。
东与福海县毗邻，南与塔城地区的和布克赛尔相连，北接哈巴河、布尔津两县，西与哈萨克斯坦共和国接壤，边境线长141千米。东西长约120千米，南北宽约110千米。总面积7145平方千米。总人口3.9万人（2010年）。县人民政府驻托普铁热克镇。
地形呈阶梯状由南向北逐级倾斜，地势北高南低，分南部山区、中部冲积-洪积平原和断陷盆地、西北部为库木托别沙漠。山地占总面积的22.3%，丘陵占2.4%，平原占60.9%，沙漠占12.9%，沼泽占0.9%，水面占0.6%。
主要河流有塔斯特河、乌拉斯特河、乌勒昆乌拉斯图河，南侧有巴特巴克布拉克水库。属大陆性北温带寒冷气候。春旱多风，夏季凉爽，秋季短暂，冬季寒冷而漫长，降水量少，蒸发量大，气候干燥，日照充足。冬季常有风雪灾害，当地称为"诺海风"，蒙古族人称为"狗风"。
吉木乃县自然草场资源丰富，全县自然草场总面积达923万亩，其中萨吾尔高山草原是全疆四大优良草场之一。萨吾尔山牛羊肉不仅肉质细嫩、味道鲜美，而且绿色无污染，在新疆市场上有较高的声誉。目前已通过国家有机食品中心论证。2006年全县最高牲畜饲养量将突破40万头只。