如果將沙漠比作人，那麼它的天氣就是人的表情，塔克拉瑪幹沙漠的表情是神秘莫測的。許多學者認為，塔克拉瑪幹是“幹旱之極”，沒有降水，濕度基本為零。幾千年來，沒有過關於塔克拉瑪幹氣候的正規記錄，而一些“親臨”的人，又因時間、條件所限，所見又十分局部，所傳達的信息自然難以準確，所以塔克拉瑪幹沙漠的天氣始終是一個謎。
沙漠氣候，不是幹、熱兩個字所能簡單概括的，是由複雜的天氣要素組成的。
地球上最熱的地方，不是在赤道，而是在沙漠地區。目前世界上氣溫的最高紀錄是 57.8℃，那是1922年9月和1933年8月，分別在利比亞的阿濟濟亞和墨西哥的聖路易斯測得的。前者在地中海南岸，其南為舉世聞名的撒哈拉大沙漠；後者在墨西哥中部，位臨北美沙漠。我國的最高氣溫，是在新疆吐魯番盆地吐魯番市原東坎機場氣象哨測得的，溫度值為48.9℃，正規氣象記錄則為47.6℃，也是在吐魯番市氣象站測得的，時間是在1942年、1953年、1956年的同一天———7月24日。沙漠地區氣溫之所以高，是因為這裏空氣極端幹燥，上空很少有水汽，也就很少有雲彩，陽光能直接照射到地麵，且沙漠地區地麵植物少，儲藏熱量的能力很低，近地層氣溫上升很快，形成了高溫天氣。
根據上麵的分析，塔克拉瑪幹沙漠腹地理應是塔裏木的高溫中心。實際並非如此。在塔克拉瑪幹有三個高溫區，一個在麻紮塔格山之南，一個在若羌縣之東，一個在偏北的滿西之北。這三個地方7月份的平均氣溫均超過長江三大火爐。而真正作為沙漠中心的塔中地區，氣溫卻低於上述三處。按絕對最高溫而言，沙漠中超過40℃的日子並不多，極值也不過42.7℃。這種現象的出現，主要是因為沙漠的廣袤，使其具有很強的散熱能力。至於人們在沙漠中覺得酷熱難熬，原因是沙漠中沒有遮蔽之處，一直曝曬於烈日之下，加上極度的幹旱，增強了炎熱的感覺。隻要製造一個遮蔽的環境，例如打一把太陽傘，你馬上會有一種涼爽的感覺。
唐代高僧玄奘由印度取經回國，經和田東行來到媲摩城，即漢代扡彌國，在現在的克裏雅一帶。在那裏，他聽人們講了一個故事，後來他將這個故事記在《大唐西域記》一書中。這個故事講述了曷勞落迦城被沙埋的經過。曷勞落迦城在媲摩城北，原是一個十分富庶的城鎮。但是，這個城鎮中居住的居民不敬神佛，欺淩過往的僧侶，用土塊投擲他們。最後惹怒了神佛，在7天之後，一場突發的風暴將全城埋沒。全城居民中，隻有一戶因接濟過僧侶，他們家人被提前告知，築地道逃了出來，其餘的居民則全部喪命。而這個被淹沒的城市中有許多的珍寶，吸引了許多人前往發掘。然而，不論是誰，隻要接近曷勞落迦城，就會“猛風暴發，煙雲四合，道路迷失”，從無一成功者，全都“進去出不來”了。
玄奘記錄的這個故事雖然有神秘色彩，但是它也說明，塔克拉瑪幹沙漠的風暴，是湮埋這一地區古代文明的重要原因。其實，塔克拉瑪幹沙漠腹地大風並不多，並且在高大沙丘區，沙丘移動十分緩慢，1年移動距離不足1米。所以，人們常說的曆史時期以來，塔克拉瑪幹沙漠向南移動了80～100千米的說法是不對的。曆史時期以來，塔克拉瑪幹新增沙漠化土地不過3萬多平方千米，即使全部攤到塔克拉瑪幹南緣，也不過平均4千米的距離。這是因為原來就在沙漠中的城鎮、絲路在廢棄後被沙埋所造成的沙漠大規模向南移的假象，實際上，這些遺址南麵原先也是沙漠，它們的廢棄造成了南北沙漠合二為一的結果。
但是，我們也不能忽視大風所帶來的危害。在沙漠外圍地區，由於風力活動，會使一些低矮的沙丘每年移動幾十米至上百米，對綠洲造成嚴重危害。而且，由於塔克拉瑪幹沙漠的沙粒十分微細，在很小的風力下就會啟動。別的地方起沙風達到每秒六米，而在塔克拉瑪幹在風力每秒四米時就能起沙，使塔克拉瑪幹成為我國西北地區沙塵暴的一個重要策源地。
沙塵暴是塔克拉瑪幹沙漠地區一種常見的天氣現象，在塔中和滿西，每年的沙塵暴日分別達到65天和60天，一舉掠取新疆的冠、亞軍稱號。沙塵暴影響範圍，少則幾百米，多則達上百公裏；時間短則幾分鍾，長則在一晝夜以上，能見度差時真是伸手不見五指，大有黑雲壓城城欲摧之勢。在與一些過境惡劣天氣現象相結合時，所形成的沙塵暴更是來勢洶洶，規模浩大，常常形成灰、黑、黃色的巨大沙幕，席卷而來，大有掃蕩一切之威力。
在塔克拉瑪幹沙漠中，天氣現象也是豐富多彩的。除了日升、日落、朝霞、夕陽，煦煦和風、狂烈風暴等特色外，也可以見到被認為是濕潤地區特有的霧、雹、露、霜、雪等種種現象。