腾格里沙漠地势由东南向西北缓降，海拔高为1200一1400米左右。腾格里沙漠的内部，沙丘、湖盆草滩、山地浅丘及平原等交错分布；其中沙丘面积占71％，沙丘中又有7％属于固定、半固定沙丘。
在地质历史时期，腾格里沙漠所在区域经历了漫长的地壳运动。从古老的地质构造来看，它属于华北古陆的西延部分。在远古时期的加里东运动中，这一区域产生了褶皱隆起和深大断裂。随后的海西运动时期，又出现褶皱断裂并且伴随着岩浆的侵入，这些地质活动塑造了该地区的基本地形轮廓，为沙漠的形成提供了潜在的地貌基础。
到了燕山运动时期，古老的断裂再次复活，两侧山区上升，中间形成山间构造盆地。这个盆地接受了侏罗纪、白垩纪和第三纪的古湖相沉积。在喜马拉雅运动时期，深大断裂重新活动，最终奠定了阿拉善块体的总体构造格局，使得这一区域地势相对平坦、低洼，有利于沉积物的堆积，为沙漠的物质积累创造了条件。
随着地球气候变冷、变干的大趋势，逐渐向干旱环境演变。该地区深居内陆，距离海洋非常遥远，来自海洋的水汽很难到达这里。在这种情况下，降水稀少，年降水量远远低于蒸发量，使得地表长期处于缺水状态。
长期的干旱气候导致地表植被难以生长，植被覆盖率极低。没有植被的保护，地表在太阳辐射、温度变化等因素的作用下，岩石逐渐破碎、分解。同时，稀少的降水偶尔形成的短暂水流对地表进行侵蚀，将破碎的岩石颗粒搬运到低洼地带。
秦汉时期，随着中原王朝对边疆地区的开拓，这一区域的人口逐渐增多。当时的战争活动频繁，大量军队的驻扎和行军对当地植被造成了破坏。同时，为了满足人口增长和军队的物资需求，人们开始大面积开垦土地，过度放牧的情况也时有发生。这些活动导致原本脆弱的植被遭到毁灭性的破坏，土地逐渐沙漠化。
随着时间的推移，植被的破坏使得地表失去了保护，风沙活动加剧。在风力的作用下，大量的沙尘被吹起，堆积在周边地区，沙漠的范围逐渐扩大。而且一旦沙漠形成，就会产生一种恶性循环，沙漠的扩张又进一步破坏周边的植被和生态环境。
近现代以来，一方面，工业活动的增加和不合理的水资源利用，导致地下水位下降，进一步加剧了干旱程度。另一方面，人们也在积极采取措施治理沙漠。通过植树造林、设置沙障等方式，控制沙漠的扩张速度，在一定程度上减缓了腾格里沙漠的演变进程，并且在局部区域实现了生态环境的改善。
腾格里沙漠除北及西南部外，沙漠内部广泛分布有湖盆，大小湖盆可达422个之多，其中有积水的有251个，除部分为泉水补给和临时集水外，大部分是在原有岛山分割的第三纪湖盆的基础上逐渐干涸退缩而形成的残留湖。
如从西往东，依次有水稍子、通湖、硝池湖、腾格里湖、龙宫湖、美利湖、碱碱湖等，其中腾格里湖面积较大、景观优美。
- 沙坡头：国家5A级旅游景区，位于宁夏中卫市，集大漠、黄河、高山、绿洲为一处，具西北风光之雄奇，兼江南景色之秀美。这里有中国第一条沙漠铁路——包兰铁路通过，还有发明的草方格沙障等治沙成果。
- 天鹅湖：位于腾格里沙漠的东部边缘，是一个天然的沙漠湖泊，每年3月和9月有白天鹅、野鸭等众多候鸟在此停留。
- 月亮湖：形状酷似中国地图，湖水富含多种矿物质，是一处天然的药浴中心，景区内有沙漠越野车、骑骆驼等娱乐项目。
- 乌兰湖：被称为“地球之心”，在一望无际的黄沙之中，被成片的芦苇和形状各异的彩色湖泊紧紧包围，湖水的色彩随着光影变幻，神秘而美丽。
腾格里沙漠流动沙丘所占的面积虽然较多，但被一些固定、半固定沙丘，湖盆和山地浅丘等所分割；同时不少湖盆还可作为治理沙漠的基地，因此，它是中国西北开发利用条件较好的沙漠之一。
截至2023年，已发现矿产61种，矿产地333处，探明储量的矿产35种119处，开发利用的矿产资源27种。煤、盐、硝、石膏、石灰岩、铁、铜、金、石墨、大理石、膨润土、白云岩、花岗岩等储量可观，开发潜力巨大，其中湖盐、芒硝、煤炭是该地区最具优势和地方特色的矿种。
由于沙漠气候极端，游客需做好充分的准备，包括携带足够的饮用水、食品和急救药品。腾格里沙漠不仅是一个自然景观的宝库，也是生物多样性的重要区域。游客在游览时，应尊重当地的环境和文化，确保旅行的安全和环保。