Ферганская долина своей формой напоминает эллипс. Ее средняя длина – около 300 километров. Примерная ширина – 170 километров. Долина практически со всех сторон окружена горными среднеазиатскими хребтами: на северо-западе стоят Чаткальский и Кураминский, на юге – Алайский и Туркестанский, на северо-востоке – Ферганский хребет. И лишь на западе открывается узкий проход, который в настоящее время занят Кайраккумским водохранилищем, который пролегает далее, по Голодной степи.

Поверхность Ферганской долины – равнинная. Средняя ее высота – 600 метров над уровнем моря. В центральной части, а также на западе долины располагаются солончаки. По краям долины встречаются адыры.  Характерны залежи газа, нефти, угля, а также строительных песков, соли, ртути, серы и сурьмы.

Ферганская долина в плане сейсмическом неспокойна. За это «отвечает» сложное тектоническое строение и высокая активность процессов. Погода летом может дарить температуру до 43 градусов. Зимой погода неустойчива. Зимняя температура колеблется на уровне 10 (иногда 25) градусов мороза. Однако, снег лежит недолго, и уже в марте начинает цвести слива, алыча, вишня, абрикосы и персики. На западе долины расположена засушливая и пустынная местность.

По долине протекает Сырдарья, которая образуется из слияния Карадарьи и Нарына. Множество рек стекает с ледников, коих на горных хребтах – множество.