如果将沙漠比作人，那么它的天气就是人的表情，塔克拉玛干沙漠的表情是神秘莫测的。许多学者认为，塔克拉玛干是“干旱之极”，没有降水，湿度基本为零。几千年来，没有过关于塔克拉玛干气候的正规记录，而一些“亲临”的人，又因时间、条件所限，所见又十分局部，所传达的信息自然难以准确，所以塔克拉玛干沙漠的天气始终是一个谜。
沙漠气候，不是干、热两个字所能简单概括的，是由复杂的天气要素组成的。
地球上最热的地方，不是在赤道，而是在沙漠地区。目前世界上气温的最高纪录是 57.8℃，那是1922年9月和1933年8月，分别在利比亚的阿济济亚和墨西哥的圣路易斯测得的。前者在地中海南岸，其南为举世闻名的撒哈拉大沙漠；后者在墨西哥中部，位临北美沙漠。我国的最高气温，是在新疆吐鲁番盆地吐鲁番市原东坎机场气象哨测得的，温度值为48.9℃，正规气象记录则为47.6℃，也是在吐鲁番市气象站测得的，时间是在1942年、1953年、1956年的同一天———7月24日。沙漠地区气温之所以高，是因为这里空气极端干燥，上空很少有水汽，也就很少有云彩，阳光能直接照射到地面，且沙漠地区地面植物少，储藏热量的能力很低，近地层气温上升很快，形成了高温天气。
根据上面的分析，塔克拉玛干沙漠腹地理应是塔里木的高温中心。实际并非如此。在塔克拉玛干有三个高温区，一个在麻扎塔格山之南，一个在若羌县之东，一个在偏北的满西之北。这三个地方7月份的平均气温均超过长江三大火炉。而真正作为沙漠中心的塔中地区，气温却低于上述三处。按绝对最高温而言，沙漠中超过40℃的日子并不多，极值也不过42.7℃。这种现象的出现，主要是因为沙漠的广袤，使其具有很强的散热能力。至于人们在沙漠中觉得酷热难熬，原因是沙漠中没有遮蔽之处，一直曝晒于烈日之下，加上极度的干旱，增强了炎热的感觉。只要制造一个遮蔽的环境，例如打一把太阳伞，你马上会有一种凉爽的感觉。
唐代高僧玄奘由印度取经回国，经和田东行来到媲摩城，即汉代扦弥国，在现在的克里雅一带。在那里，他听人们讲了一个故事，后来他将这个故事记在《大唐西域记》一书中。这个故事讲述了曷劳落迦城被沙埋的经过。曷劳落迦城在媲摩城北，原是一个十分富庶的城镇。但是，这个城镇中居住的居民不敬神佛，欺凌过往的僧侣，用土块投掷他们。最后惹怒了神佛，在7天之后，一场突发的风暴将全城埋没。全城居民中，只有一户因接济过僧侣，他们家人被提前告知，筑地道逃了出来，其余的居民则全部丧命。而这个被淹没的城市中有许多的珍宝，吸引了许多人前往发掘。然而，不论是谁，只要接近曷劳落迦城，就会“猛风暴发，烟云四合，道路迷失”，从无一成功者，全都“进去出不来”了。
玄奘记录的这个故事虽然有神秘色彩，但是它也说明，塔克拉玛干沙漠的风暴，是湮埋这一地区古代文明的重要原因。其实，塔克拉玛干沙漠腹地大风并不多，并且在高大沙丘区，沙丘移动十分缓慢，1年移动距离不足1米。所以，人们常说的历史时期以来，塔克拉玛干沙漠向南移动了80～100千米的说法是不对的。历史时期以来，塔克拉玛干新增沙漠化土地不过3万多平方千米，即使全部摊到塔克拉玛干南缘，也不过平均4千米的距离。这是因为原来就在沙漠中的城镇、丝路在废弃后被沙埋所造成的沙漠大规模向南移的假象，实际上，这些遗址南面原先也是沙漠，它们的废弃造成了南北沙漠合二为一的结果。
但是，我们也不能忽视大风所带来的危害。在沙漠外围地区，由于风力活动，会使一些低矮的沙丘每年移动几十米至上百米，对绿洲造成严重危害。而且，由于塔克拉玛干沙漠的沙粒十分微细，在很小的风力下就会启动。别的地方起沙风达到每秒六米，而在塔克拉玛干在风力每秒四米时就能起沙，使塔克拉玛干成为我国西北地区沙尘暴的一个重要策源地。
沙尘暴是塔克拉玛干沙漠地区一种常见的天气现象，在塔中和满西，每年的沙尘暴日分别达到65天和60天，一举掠取新疆的冠、亚军称号。沙尘暴影响范围，少则几百米，多则达上百公里；时间短则几分钟，长则在一昼夜以上，能见度差时真是伸手不见五指，大有黑云压城城欲摧之势。在与一些过境恶劣天气现象相结合时，所形成的沙尘暴更是来势汹汹，规模浩大，常常形成灰、黑、黄色的巨大沙幕，席卷而来，大有扫荡一切之威力。
在塔克拉玛干沙漠中，天气现象也是丰富多彩的。除了日升、日落、朝霞、夕阳，煦煦和风、狂烈风暴等特色外，也可以见到被认为是湿润地区特有的雾、雹、露、霜、雪等种种现象。
雾是因水汽凝结而生，而在被视为干燥绝顶的塔克拉玛干，一样有大雾天出现，在沙漠中，一年中雾日就有3天半。一些学者从理论上探讨过，雹子在极端干旱的沙漠区绝不可能出现，可实际上真有出现。冰雹大者如蚕豆大小，打在头上也很疼痛。
在沙漠腹地，一年中有近10天的雷暴日，有长达140～230天的霜日，甚至有两天降雪日，积雪深1～5厘米。看到一望无际的大漠一派银装素裹，人们真要惊叹大自然的造化神功了。至于因气候原因形成的自然景观，如沙漠海市蜃楼、尘卷风等，自然更是魅力无穷了。
现在，让我们来了解一下塔克拉玛干气候变迁的来龙去脉。
根据气候学家的推论，在古生代的前半期，大约距今4亿年～6亿年，地球赤道曾经经过新疆或接近新疆，塔里木又处于海水浸没之中，此时的塔克拉玛干是处于炎热而潮湿的热带海洋气候。到古生代后期，从距今两亿多年的石炭纪晚期，海水从塔里木大规模后退，塔克拉玛干从湿热转向干热，开始了向干旱的转化。到了中生代，塔克拉玛干的气候，尽管还是以暖湿为主流，但较之古生代，温度、湿度都有明显的降低，从热带气候转向亚热带气候，趋向干旱已成定局。
对塔克拉玛干现代天气和气候影响至关重大的时期是在新生代，特别是新生代中距今200多万年的第二个纪———第四纪。在这一时期，塔克拉玛干的气候虽然也存在暖干、冷干的交替，但总的趋势由热向温转化、由湿向干转化，形成暖温带干旱气候，塔克拉玛干沙漠也于这一时期正式形成。
塔克拉玛干气候经历了几亿年的变迁，其中的成因和过程是十分复杂的。我们只需要知道，沙漠是干旱气候的产物，它的活动性受气候变化，特别是其中干湿变化控制，这是一个经历了上千万年变化的过程。沙漠的气候变化，也跟它的地质变化有密切的关系。从元古代到新生代的前10亿年里，塔克拉玛干经历了从大海到沙漠的沧桑巨变。
我们居住的这个地球，年龄已有46亿岁。地质学家们根据生命的进化史，将地球的历史划分为隐生元和显生元两个大的单元。前一个单元漫长至40亿年，后一单元至今已有六亿年，并且还在延续。其实，在隐生元中，生命已开始萌动，现在已知的原始植物从35亿年前己诞生。不过，像三叶虫等被生物学家认为是生命始祖的生物，却是出现在显生元的。
塔克拉玛干沙漠所在的塔里木地台，形成于10多亿年前的元古代，即显生元第一个地质年代———古生代前的一个地质年代。在元古代中期，塔里木地台在造山运动作用下进一步增生扩大，出现高差悬殊的地貌景观。后来在剥蚀作用下，地台的东北、西北、西南的边缘和地台内部，由于张力而裂开，发生了强烈的沉降。这时，古亚细亚洋的海水，趁势由东、西两个方向进入塔里木地台上的裂谷盆地，形成大面积海区，开始是在现今的尉犁———库鲁克塔格、柯坪东———阿瓦提、英吉沙———和田这几片，后来发展为塔里木北部和西南部两大海域。
6亿年前，在地球进入显生元的第一个地质年代———古生代后，塔里木盆地海域进一步扩大，如今的塔克拉玛干大部分被海水淹没，形成一个统一的塔里木海。塔里木海甚至一度淹没到现今的阿尔金山东段。至距今四五亿年的奥陶纪初期，海域范围达到古生代早期的顶峰，甚至殃及昆仑山东段。此时的塔里木海在东西南北各个方向上均与外海相通，陆地只有一些狭小的孤岛和半岛。而从奥陶纪中期，塔里木海开始自南向北的后退，出现较大面积的浅海盆地。到奥陶纪晚期，塔里木海更明显减小，从柯坪至塔中一线升为陆地。接着，出现了新的造陆运动，进一步促进了海、陆分布格局的变化。此时，海水仅滞留于盆地北部。至距今3.5亿年～4亿年的泥盆纪中期，海水大规模向西退却，到了泥盆纪晚期，塔里木大部分已变为陆地。
但是，大海也不甘心至此退出塔里木，在距今2.7亿年～3.5亿年的石炭纪早期，它又卷土重来，重新淹没了几乎整个塔里木盆地，延续了几千万年，至石炭纪晚期开始大规模的退却。又经历了几次的反复，至古生代最后一个地质年代，距今2.5亿年～2.7亿年的二叠纪晚期，海水全部退出塔里木盆地，塔里木盆地正式进入大陆盆地发展阶段。
到了距今0.7亿年～2.25亿年的显生元第二个地质年代———中生代，塔里木盆地基本以大陆环境为主。在盆地内的地堑区，即地层断裂下陷的地区，则有大型淡水浅水湖泊存在。由于气候转向暖湿。降雨增加，河流活跃，沉积范围也进一步扩大。尽管在距今七八千万年的白垩纪晚期，又出现反复的海进、海退，在西塔里木形成袋状海湾，但整个盆地渐趋干旱已基本定局。
从7000万年前开始的新生代，成为塔里木趋向现代格局的地质年代。尽管在早期，在西塔里木仍然海进、海退频繁，而东塔里木却成为大陆剥蚀区，为新生代第一纪———第三纪晚期的大规模沉积活动准备了丰富的物质来源。随着喜马拉雅造山运动的波及和影响，盆地周围山体急剧抬升，河流广泛发育，将山区风化剥蚀物搬运到盆地中心，奠定了今天的塔克拉玛干沙漠。
关于塔克拉玛干沙漠的年龄，有过许多的说法。我国权威的沙漠学家、前中国科学院兰州沙漠研究所所长朱震达研究员认为，塔克拉玛干沙漠是第四纪中更新世以来形成和发育的，也就是说只有14万年的历史。这种认识在很长一段时间被绝大多数学者所接受和认同。而上世纪80年代以来，一些石油地质学家和古生物学家却提出了不同的意见，他们认为塔克拉玛干沙漠在第三纪中新世或上新世即已形成，将沙漠年龄一下提高到100万年～2500万年，他们中保守一些的人也认为塔克拉玛干沙漠至少形成于第四纪早更新世，距今也有120万年之久。不过，也有少数人认为，塔克拉玛干沙漠是在第四纪晚更新世末，甚至全新世时才形成的，沙漠年龄不过一两万年。
这几种说法所判断的塔克拉玛干沙漠的年龄，从1万年～2000多万年，相差了2000多倍，谁的说法更准确一些呢？沙漠环境的形成、演化与沙漠地貌所处的发育阶段是有区别的。前者的年代可以很早，而后者则因地貌的发育阶段不同，年龄的差异可以很大。例如，塔克拉玛干沙漠中的丝路、城镇，当年都是处于沙漠环境之中，但它们的所在地还不能称为沙漠，否则就不会在那里建设城镇了。而废弃后，许多已为风沙湮埋，沦为真正的沙漠，其形成、发育史也就不过区区几百年至上千年。此外，由于形成原因不同，即使在同一个地区，也可能有多次的沙漠发育史，但是，此沙漠已非彼沙漠。塔克拉玛干沙漠的两个大的发育期，就是两个性质完全不同的沙漠，在沙漠的基质、外貌上都有很大的不同。
董光荣先生提出的上限，延伸到了中生代最后一个纪———白垩纪的晚期，距今9750万年～6500万年，此时在塔里木盆地的河岸、湖岸、海滨，已有零星沙漠的分布，在进入新生代第三纪后，沙漠进一步扩展、活化。进入第四纪后，沙漠反而开始缩小，直到距今14万年的中更新世以后，风成亚沙土广泛发育，沙漠随之进一步扩大。尽管10多万年来，沙漠的发育经历了多次的反复，但总的趋势是处于扩展之中，最终形成今日的格局。
为了清晰说明塔克拉玛干沙漠的变迁史，董光荣将塔克拉玛干沙漠的形成发育分为前第四纪时期和第四纪时期。前第四纪通俗地说就是第四纪以前的一段时期，包括了中生代白垩纪晚期和新生代第三纪，时间跨度为9500万年。第四纪时期的时间跨度则为250万年。
在前第四纪时期，出现了全球性气温下降，塔克拉玛干地区由亚热带、热带环境转为亚热带———暖温带环境，气候进一步干旱，植被也逐渐由稀树草原转变为荒漠草原，沙漠也逐步形成，性质上是以固定、半固定的草原型沙漠，由于沉积物多为紫红或棕红的富含石膏、芒硝和钙结核的物质，沙漠外观以红色为基调，故称为红色沙漠期。
随着气温的进一步下降，进入第四纪以后，塔克拉玛干气候转为温带环境，随冰期的波动，变化于暖温带至寒温带间，干旱的趋势进一步发展，形成暖干与冷干的气候组合，以“干”为基本特色，与地球其他地区，如季风区的暖湿、冷干组合，西风区的冷湿、暖干组合迥然不同，表明了本区的干旱特色。此时的沙漠，由草原型转化为荒漠型，流沙逐渐增多，规模也不断扩大。由于提供沉积的风成沙和原生风成亚沙土色泽棕黄，使沙漠呈现了黄色的主体色调，所以又称为黄色沙漠期。
认为塔克拉玛干沙漠是全新世以来形成的观点，也不是完全没有道理的。据对塔克拉玛干沙漠腹地流动沙丘下地层采集的石英砂的年代测定，证明在全新世早期，在沙漠腹地出现过大范围的河湖沉积，此时的沙漠应处于收缩和向固定化转化的阶段。到全新世中期以后，随风力活动的加强，风沙堆积进入旺盛时期，现代的高大流动沙丘也就是在这一时期形成的，距今也就是四五千年。在塔里木河故道上的大片沙丘，甚至只有500年的形成历史。
据此我们可以认为，就沙漠形成的历史来说，塔克拉玛干沙漠是古老的，具有近亿年的历史；而就现代沙丘的形成来说，塔克拉玛干沙漠又是年轻的。