毛乌素沙地又称乌审沙漠，毛乌素蒙古语意为不好的水，由沙漠南端一小村名得名。该沙漠东起陕西省神木县，南越长城，西至宁夏回族自治区盐池县，北至内蒙古鄂尔多斯高原脊线以南。面积4万平方公里，在鄂尔多斯市境内2.5万平方公里。

毛乌素沙地以新月沙丘及沙链丘为主，并有少量的格状沙丘和梁窝状沙丘，由东北向西南排列。沙丘高一般5米～10米，最高10米～20米。流动沙丘占总面积的64%，主要分布在南部长城沿线，在鄂尔多斯市则以乌审召、珠和2个苏木为中心。沙漠年均降雨量从东南400毫米～440毫米，向西北递减为250毫米。

境内有无定河、窟野河、秃尾河等，大小湖泊170余个，淡水湖可养鱼类，苦水湖多产碱、盐、石膏等。地下水一般深度在0.5米～1米。天然植物有20种，总覆盖率40%～50%，构成当地特有的植被组群。丘间低地有沙漠绿洲一柳湾林。沙丘上分布有沙地柏，面积47平方公里。