Le désert couvre la majeure partie du Turkménistan, une longue bande est-ouest. Il atteint largement les crêtes de dunes, sous-tendues par la roche, à quelques centaines de mètres au-dessus du niveau de la mer. Il se situe à l’est de la mer Caspienne, dont la rive est abrupte. Elle jouxte, au nord, le long delta alimentant la mer d’Aral du Sud, plus au nord, un autre lac endoréique, environ 58 mètres plus haut que la mer Caspienne. Le delta est celui de la rivière Amu Dar’ya au nord-est, délimitant la longue frontière avec le désert de Kyzyl Kum, en Ouzbékistan. Depuis le début des années 1980, l’extension désertique relativement petite de l' »Aral Karakum » occupe la majeure partie des anciens fonds marins de la mer d’Aral, soit environ 40 000 km2. La mer a fluctué au cours des millénaires. Sa perte majoritaire durant l’existence de l’Union soviétique a coïncidé avec de grands projets d’irrigation. La mer d’Aral du Nord a été restaurée en 2009, mais la mer d’Aral du Sud s’est réduite à une stase de petite taille à l’embouchure de sa rivière.
A l’intérieur de la bordure nord-ouest du désert se trouvait autrefois une rivière. À la fin du Pléistocène, l’Amu Dar’ya s’écoulait au-delà du bassin d’Aral vers le lac Sarykamysh puis vers la mer Caspienne. La sédimentation et les inondations au cours d’une période pluviale ont entraîné un débordement vers la vallée de la rivière Zeravshan à l’est. Les deux flux ont fusionné et ont formé ou agrandi le lac Horezm. Lorsque ce dernier, qui avait été formé par la période khvalinienne antérieure, a débordé vers le nord, il a creusé son lien avec la mer d’Aral le long du couloir de population Akcha Dar’ya de cette vallée basse et douce (une communauté éloignée de l’ouest de l’Ouzbékistan et du nord-est du Turkménistan).