火焰山位於新疆吐魯番盆地北緣，古書稱赤石山，維吾爾語稱為“克孜勒塔格”，意即紅山。火焰山脈呈東西走向，東起鄯善縣蘭幹流沙河，西止吐魯番桃兒溝，長100千米，最寬處達10千米，一般高度在500米左右，最高峰在鄯善吐峪溝附近，海拔831.7米。火焰山崇山禿嶺，寸草不生。
每當盛夏，紅日當空，地氣蒸騰，焰雲繚繞，形如飛騰的火龍，十分壯觀。
地質學家經研究發現：火焰山是天山東部博格達山坡前山帶短小的褶皺，形成於喜馬拉雅山運動期間。山脈的雛形形成於距今1.4億年前，基本地貌格局形成於距今1.41億年前，經曆了漫長的地質歲月，跨越了侏羅紀、白堊紀和第三紀幾個地質年代。
火焰山自東而西，橫亙在吐魯番盆地中部，為天山支脈之一。億萬年間，地殼橫向運動時留下的無數條褶皺帶和大自然的風蝕雨剝，形成了火焰山起伏的山勢和縱橫的溝壑。在烈日照耀下，赤褐砂岩閃閃發光，熾熱氣流滾滾上升，雲煙繚繞，猶如大火烈焰騰騰燃燒，這就是“火焰山”名稱的由來。
火焰山深居內陸，濕潤氣流鞭長莫及難以進入，雲雨稀少，十分幹燥，太陽輻射被大氣削弱少，到達地麵熱量多；地麵又無水分供蒸發，熱量支出少，地溫升得很高；而大地又把能量源源不斷地傳給大氣。加上火焰山地處閉塞低窪的吐魯番盆地中部，一方麵陽光輻射積聚的熱量不易散失；另一方麵沿著群山下沉的氣流送來陣陣熱風，由於焚風效應，更加劇了增溫作用，以上種種，使這裏形成名副其實的“火州”。
由於地殼運動斷裂與河水切割，火焰山山腹中留下許多溝穀，主要有桃兒溝、木頭溝、吐峪溝、連木沁溝、蘇伯溝等。而這些溝穀中綠蔭蔽日，風景秀麗，流水潺潺，瓜果飄香。其中最著名的要數吐峪溝大峽穀了。吐峪溝大峽穀位於鄯善縣境內火焰山中段，北起蘇巴什村，南到麻紮村，兩村間的峽穀長約12.5千米，大峽穀麵積約為12平方千米。南北兩端有簡易的盤山公路相連通。南穀口西南距高昌古城13千米，位置優越。吐峪溝大峽穀內有火焰山的最高峰。吐峪溝大峽穀的東西兩峰，素有“天然火牆”之稱，溫度最高時可達60℃。
吐峪溝大峽穀濃縮了火焰山景觀的精華。溝穀兩岸山體本是赭紅色，在陽光的照耀下便顯得五彩繽紛，且色彩濃淡隨天氣陰晴雨霧而變幻萬千。山澗小溪鬥折蛇行向南流去，漫步穀底，溪流清澈。仰望千姿百態的五彩奇石，紅、黃、褐、綠、黑等多種色彩雜陳於眼前。吐峪溝峽穀山體之奇、山岩之美、澗水之秀、珍果之甜，為其他峽穀所少有，稱之為“火焰山中最壯美的峽穀”。
吐峪溝大峽穀底部的土壤呈黃紅色。穿穀而過的天山雪水將黃紅色的土壤衝出南穀口，在峽穀南端形成了肥沃的衝積平原。這種土壤最適宜培植無核白葡萄，所以葡萄最早落戶中國正是在吐峪溝。這裏是吐魯番無核白葡萄的故鄉，也是無核白葡萄的出口基地之一。這裏出產的無核白葡萄顆粒最大、甜味最濃，素有“葡萄中的珍品”之美譽。