本标段线路穿行于盆地与中天山山地之间，共经过吐鲁番盆地、库米什山间盆地与和硕焉耆盆地三个盆地，穿越中天山支脉博尔托乌山和喀拉塔格两条山系，越岭段山前洪积扇地形起伏较大，沟谷纵横，桥隧工程集中，是全线地形、地质最为复杂和工程最为艰巨的区段。中天山的北支脉博尔托乌山为高中山区。山体平均高程2800~2900m，相对高差1300~1500m，山势陡峻，沟谷纵横，沿沟谷常有数米至数十米高的跌水陡坎。海拔2000m以上沟谷及高中山山顶多生长有牧草及低矮灌木，除此外山体大多基岩裸露。线路跨越的乌苏通沟常年流水，其它均为季节性流水沟谷。
喀拉塔格隧道穿越的喀拉克孜勒塔格属低中山区。山体平均高程1700～1900m，相对高差300~500m。山体陡峻，岩石嶙峋，沟谷深切，部分沟谷沟心跌水高达十多米至数十米不等，人类很难攀爬。山体基岩裸露，植被稀疏。地表山沟均为季节性流水沟谷。
