温泉县属北天山槽褶带的一部分、博尔塔拉断凹西部,县内南、西、北三面环山,地势西高东低,南北两侧向中间倾斜。中间是谷地平原,且谷地平原自西向东逐渐开阔。东西长147.9公里,南北宽70.7公里。县城海拔1359米。全县山地(含丘陵)面积4004.2平方公里,占县域总面积的68%,主要山脉有阿拉套山、别格珍山、鄂托克赛尔山、沙里切库山及汗吉尕山。中部平原以博尔塔拉河为界,北侧为阿拉套山山前洪积平原,全县平原总面积588.1平方公里,11%地形成窄条状低位差耕地的槽行谷。峡谷处多为巨砾石、河漫滩多为卵砾石。