Котловина ограничена хребтами Алтая на западе, Монгольского Алтая на юго-западе и юге, нагорьем Хангай на востоке и хребтом Танну-Ола на севере. К югу от котловины располагается пустынная Шаргинская котловина, которую иногда включают в состав Котловины Больших Озёр. Протяжённость котловины с севера на юг составляет св. 500 км, с запада на восток до 400 км. Общая площадь превышает 100 тыс. км². Высота изменяется от 758 м (урез самой низкой части котловины — оз. Убсу-Нур) до 1500—2000 м на окаймляющих котловину горах. В северной части котловины проходит небольшой хребет Хан-Хухийн-Нуруу, отделяющий бассейн озера Убсу-Нур от остальной части котловины.
Основные формы рельефа в районе котловины Больших озёр:
скалистые горы, по склонам которых расположены степи и лесостепи
наклонные щебнистые и глинистые равнины пустынного типа
озёрные равнины
песчаные скопления разнообразных типов общей площадью около 14 тыс. км²
Гидрография
Низменности котловины заполняют многочисленные озера, крупнейшие из них:
Пресноводные:
Хар-Ус-Нуур — второе по величине пресноводное озеро Монголии
Убсу-Нур — крупнейшее озеро Монголии (небольшой фрагмент северной части озера принадлежит России), бассейн которого внесён в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.
Озеро Убсу-Нур — крупнейшее озеро в котловине Больших Озёр и самое большое озеро Монголии
Климат, флора и фауна
Климат в котловине резко континентальный, зафиксированный минимум температуры составляет —50 °C, максимум +35 °C. Среднегодовая норма осадков в центральной и южной частях составляет 100—150 мм. Преимущественный ландшафт — сухие степи и (в центральной части котловины) — полупустыни и пустыни. В окаймляющих котловину горных областях осадков выпадает до 350 мм в год.
Над котловиной проходит центрально-азиатский путь миграции водных птиц Западной и Средней Сибири. Также на территории впадины обитает несколько глобально редких видов, в том числе снежный барс и горный баран — аргали.
Котловина Больших Озёр // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — С. 289. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).