中国最大的内陆河。塔里木河流域位于天山南麓，帕米尔高原东侧，喀喇昆仑山、昆仑山、阿尔金山北坡，包括塔里木盆地周边向心聚流的九大水系（即开都河—孔雀河水系、迪那河小河水系、渭干河—库车河水系、阿克苏河水系、喀什噶尔河水系、叶尔羌河水系、和田河水系、克里雅河小河水系、车尔臣河小河水系）和塔里木河干流、塔克拉玛干沙漠及东部荒漠三大区（参见塔里木河流域规划附图），流域面积102万km²，注入塔里木盆地年总水量为398亿m³。

塔里木河流域九大水系，历史上都有水汇入塔里木河，由于历史变迁和近代人类活动的影响，塔里木河水系发生了重大演变。据记载，克里雅河等诸小河水系在500～1 000年前已不注入塔里木河；喀什噶尔河、渭干河在清朝末年已无水流入塔里木河；孔雀河下游于20世纪70年代初断流，导致塔里木河下游尾闾罗布泊、台特马湖干涸。现今与塔里木河干流有地表水联系的仅有和田河、叶尔羌河和阿克苏河水系，被称为塔里木河三源流。三源流在肖夹克汇合，形成塔里木河干流。另外开都河—孔雀河可通过库尔勒—塔里木干渠向塔里木河下游送水，形成“四源一干”。渭干河仅有少量农田排水进入塔里木河干流。

塔里木河“四源一干”， 流域面积25.86万km²，其中中国境内面积23.62万km²，多年平均年径流量为256.7亿m³。塔里木河干流自肖夹克始，沿塔克拉玛干沙漠北缘东流，到尉犁县的铁干里克，折向东南，注入台特玛湖，肖夹克以下干流长1 321 km。若从叶尔羌河河源（即塔里木河河源）算起至台特玛湖，河流全长2 437 km。

塔里木河流域远离海洋，深处中亚内陆，四周高山环绕，大陆性气候非常明显，降水稀少，蒸发强烈，日照时间长，四季气候悬殊，气候变化剧烈。

河源区有冰川分布，河水来源为冰雪融水和雨水，产水比较丰富，水量年际变化较小，为沿河引水发展农林牧业提供了较好的条件。1958年以来，先后修建了各类引水渠首286处，设计引水能力882 m³/s；修建各类水库70余座，其中大型水库6座，即克孜勒河的西克尔水库、叶尔羌河的小海子水库和上游水库、塔里木河干流的胜利水库、大西海子水库以及喀拉喀什河的乌鲁瓦提水库。乌鲁瓦提水库库容3.47亿m³，水电站装机60 MW。1998年塔里木河“四源一干”总灌溉面积125.5万hm²。

由于20世纪50年代以来，塔里木河上中游盲目无序开垦，大量引水，扩大农田灌溉面积，致使中下游河道淤塞，水量减少，大西海子长期断流，不少地方胡杨等林木大片枯死，土地沙化，生态环境严重恶化，其下游与孔雀河下游之间的盆地东端的绿色走廊受到严重威胁。1990年成立了塔里木河流域管理局，加强了管理，重视生态环境保护建设，兴修向塔里木河下游应急输水工程。2000年起实施由博斯腾湖经大西海子水库向塔里木河下游输水，挽救绿色走廊，抑制生态环境恶化趋势。