塔克拉瑪幹沙漠腹地大風並不多，並且在高大沙丘區，沙丘移動十分緩慢，一年移動距離不足一米。所以，人們常說的曆史時期以來，塔克拉瑪幹沙漠向南移動了80~100千米的說法是不對的。曆史時期以來，塔克拉瑪幹新增沙漠化土地不過三萬多平方千米，即使全部攤到塔克拉瑪幹南緣，也不過平均四千米的距離。這是因為原來就在沙漠中的城鎮、絲路在廢棄後被沙埋所造成的沙漠大規模向南移的假象，實際上，這些遺址南麵原先也是沙漠，它們的廢棄造成了南北沙漠合二為一的結果。
但是，我們也不能忽視大風所帶來的危害。在沙漠外圍地區，由於風力活動，會使一些低矮的沙丘每年移動幾十米至上百米，對綠洲造成嚴重危害。而且，由於塔克拉瑪幹沙漠的沙粒十分微細，在很小的風力下就會啟動。別的地方起沙風達到6米/秒，而在塔克拉瑪幹在風力4米/秒時就能起沙，使塔克拉瑪幹成為我國西北地區沙塵暴一個重要策源地。
沙塵暴是塔克拉瑪幹沙漠地區一種常見天氣現象，在塔中和滿西，每年的沙塵暴日分別達到65天和66天，一舉掠取新疆的冠、亞軍稱號。沙塵暴影響範圍，少則幾百米，多則達上百千米；時間短則幾分鍾，長則在一晝夜以上，能見度差時真是伸手不見五指，大有黑雲壓城城欲摧之勢。在與一些過境惡劣天氣現象相結合時，所形成的沙塵暴更是來勢洶洶，規模浩大，常常形成灰、黑、黃色的巨大沙幕，席卷而來，大有掃蕩一切之威力。
在塔克拉瑪幹沙漠中，天氣現象也是豐富多彩的。除了日升、日落、朝霞、夕陽、煦煦和風、狂烈風暴等特色外，也可以見到被認為是濕潤地區特有的霧、雹、露、霜、雪等種種現象。
霧是因水汽凝結而生，而在被視為幹燥絕頂的塔克拉瑪幹，一樣有大霧天氣出現，在沙漠中，一年中霧日就有三天半。一些學者從理論上探討過，雹子在極端幹旱的沙漠區絕不可能出現，可實際上真有出現。冰雹大者如蠶豆，打在頭上也很疼痛。
在沙漠腹地，一年中有近十天的雷暴日，有長達140~230天的霜日，甚至有兩天降雪日，積雪深1~5厘米。看到一望無際的大漠一派銀裝素裹，人們真要驚歎大自然的造化神功了。至於因氣候原因形成的自然景觀，如沙漠海市蜃樓、塵卷風等，自然更是魅力無窮了。
塔克拉瑪幹沙漠所在的塔裏木地台，形成於十多億年前的元古代，即顯生元第一個地質年代——古生代前的一個地質年代。在元古代中期，塔裏木地台在造山運動作用下進一步增生擴大，出現高低懸殊的地貌景觀。後來在剝蝕作用下，地台的東北、西北、西南的邊緣和地台內部，由於張力而裂開，發生了強烈的沉降。這時，古亞細亞洋海水，趁勢由東、西兩個方向進入塔裏木地台上的裂穀盆地，形成大麵積海區，開始是在現今的尉犁-庫魯克塔格、柯坪東-阿瓦提、英吉沙-和田這幾片，後來發展為塔裏木北部和西南部兩大海域。
六億年前，在地球進入顯生元的第一個地質年代——古生代後，塔裏木盆地海域進一步擴大，如今的塔克拉瑪幹大部分被海水淹沒，形成一個統一的塔裏木海。塔裏木海甚至一度淹沒到現今的阿爾金山東段。至距今四五億年的奧陶紀初期，海域範圍達到古生代早期的頂峰，甚至殃及昆侖山東段。此時的塔裏木海在東、西、南、北各個方向上均與外海相通，陸地隻有一些狹小的孤島和半島。而從奧陶紀中期，塔裏木海開始自南向北的後退，出現較大麵積的淺海盆地。到奧陶紀晚期，塔裏木海更明顯減小，從柯坪至塔中一線升為陸地。接著，出現了新的造陸運動，進一步促進了海、陸分布格局的變化。此時，海水僅滯留於盆地北部。至距今3.5億~4億年的泥盆紀中期，海水大規模向西退卻，到了泥盆紀晚期，塔裏木大部分已變為陸地。
但是，大海也不甘心至此退出塔裏木，在距今2.7億~3.5億年的石炭紀早期，它又卷水重來，重新淹沒了幾乎整個塔裏木盆地，延續了幾千萬年，至石炭紀晚期開始大規模的退卻。又經曆了幾次的反複，至占生代最後一個地質年代，距今2.25億~2.7億年的二疊紀晚期，海水全部退出塔裏木盆地，塔裏木盆地正式進入大陸盆地發展階段。