三塘湖盆地位于新疆东北部巴里坤哈萨克自治县与伊吾县境内，呈NW-SE向条带状夹持于天山和阿尔泰共和国山之间。

西临准噶尔汗国、南临吐哈盆地，东北与蒙古国接壤，长约500公里，宽约40公里～70公里，面积约23000平方公里。

在区域大地构造上，三塘湖盆地地处天山-兴蒙褶皱系西伯利亚古板块南部陆缘增生带上，夹持于两条古缝合带之间，南侧以克拉麦里缝合带与哈萨克斯坦板块及准噶尔盆地东北部紧邻；北侧是以阿尔曼太蛇绿岩带为代表的洋盆闭合以后形成的阿尔曼太缝合带。克拉麦里蛇绿岩带长约150公里，宽约3-10 公里，阿尔曼太蛇绿岩带长约130公里，宽约3-5 公里，两条古缝合带大体互相平行，相距约80 公里。