温宿县新疆西部天山中段的托木尔峰南麓，塔里木盆地西北边缘。北纬40°52′--42°15′，东经79°28′--81°30′，东西长171公里，南北宽158公里，总面积14，569.3平方千米。东与拜城、新和两县交界，南和阿克苏市毗邻，西隔托什干河与乌什县相望，北同吉尔吉斯斯坦共和国、哈萨克斯坦共和国及新疆伊犁哈萨克自治州的昭苏县接壤。乌鲁木齐—喀什—红旗拉甫公路穿境而过，为历史上丝绸之路的必经，扼南北交通要冲。

截止2015年，全县辖5乡、5镇、3个管理区（即温宿镇、佳木镇、克孜勒镇、吐木秀克镇、阿热勒镇、托乎拉乡、恰格拉克乡、依希来木其乡、古勒阿瓦提乡、博孜墩柯尔克孜民族乡、托甫汗管理区、柯柯牙管理区、共青团管理区），157个村民委员会（不含9个农村社区）、10个城镇社区居委会。