毛乌素系蒙古语，意为不好的水。以沙漠南端一小村名得名。位于鄂尔多斯高原东胜—杭锦旗高原脊线以南，东起陕西省神木县，西至宁夏回族自治区盐池县，南越长城，总面积约4万平方公里。在鄂尔多斯市境内南北长220公里，东西宽100公里，面积约2.5万平方公里，占全盟面积的29%，分布在鄂托克前旗、鄂托克旗、乌审旗内。以新月型沙丘和沙丘链为主，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5～10米，有的高10～20米。流动沙丘占64%，主要分布在南部长城沿线。全沙漠年均降水量从东南400～440毫米，向西北递减为250毫米，无定河、窟野河、秃尾河等河流穿过，有大小湖泊170余个，湖泊面积240平方公里，其中淡水湖面积40余平方公里，可养鱼类；咸水湖多产碱、盐、芒硝、石膏等。地下水丰富，一般深1～2米，个别仅0.5米，水质良好。沙地植被覆盖度较大，其中独特的植被组群有油蒿群丛、沙地柏林及乌柳、沙柳、沙刺等灌木组成的片状柳湾林，是常年放牧的优良牧场。