Формировалась в условиях длительной аккумуляции осадков в пределах Таримской впадины, которая сложена в основном аллювиальными отложениями реки
Тарим и её притоков, частично перевеянными. Поверхность равнинная, постепенно понижается к северу и востоку от 1200—1300 м до 800—900 м. На западе над пустыней возвышаются одиночные кряжи высотой до 1664 м (гора Чонгтаг), сложенные песчаниками. На юго-западе преобладают барханы, на северо-востоке — песчаные гряды сложной конфигурации (в том числе крупные, протягивающиеся иногда на 10—13 км, — так называемые
китовые спины), песчаные пирамиды (высота 150—300 м) и др. По окраинам Такла-Макана значительные площади занимают
солончаки.
