El desierto cubre la mayor parte de Turkmenistán, una larga franja de este a oeste. Alcanza ampliamente las crestas de las dunas, subyacentes a la roca, a unos cientos de metros sobre el nivel del mar. Se encuentra al este del mar Caspio, cuya orilla oriental es escarpada. Colinda, al norte, con el largo delta que alimenta el Mar de Aral Sur, más al norte, otro lago endorreico, unos 58 metros más alto que el Mar Caspio. El delta es el del río Amu Dar’ya, al noreste, que delimita la larga frontera con el desierto de Kyzyl Kum, en Uzbekistán. Desde hace décadas, la extensión relativamente pequeña del desierto «Aral Karakum» ocupa la mayor parte del antiguo lecho del mar de Aral, unas 15.440 millas cuadradas/40.000 km2. El mar ha fluctuado durante milenios. Su pérdida mayoritaria se produjo durante la existencia de la Unión Soviética, coincidiendo con grandes proyectos de irrigación. El Mar de Aral del Norte se restableció en 2009, pero el Mar de Aral del Sur se estancó en su desembocadura.
En el borde noroeste del desierto solía haber un río. A finales del Pleistoceno, el Amu Dar’ya solía fluir más allá de la cuenca del Aral hasta el lago Sarykamysh y luego hasta el mar Caspio. La sedimentación y las inundaciones durante un periodo pluvial provocaron el desbordamiento hacia el valle del río Zeravshan, al este. Los dos flujos se fusionaron y formaron o ampliaron el lago Horezm. Al desbordarse hacia el norte, este último, que se había formado en el anterior período khvaliniano, trazó su enlace con el mar de Aral a lo largo del corredor poblacional Akcha Dar’ya de ese valle bajo y suave (una comunidad remota del oeste de Uzbekistán y el noreste de Turkmenistán).