Ninh Thuận thuộc vùng duyên hải Nam Trung Bộ, phía bắc giáp tỉnh Khánh Hòa, phía nam giáp Bình Thuận, phía tây giáp Lâm Đồng và phía đông giáp biển Đông.
Ninh Thuận có khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với đặc trưng khô nóng, gió nhiều, bốc hơi mạnh, nhiệt độ trung bình hàng năm 26-27 độ C. Lượng mưa trung bình hàng năm 700-800 mm ở Phan Rang và tăng dần đến trên 1.100 mm ở miền núi.
Nguồn nước ở Ninh Thuận phân bổ không đều, tập trung ở khu vực phía Bắc và trung tâm tỉnh. Nguồn nước ngầm chỉ bằng một phần ba mức bình quân cả nước.
Năm 2015-2016, Ninh Thuận đã trải qua đợt hạn hán kỷ lục, xảy ra trong diện rộng. Gần hai năm, có những vùng không có một giọt mưa khiến khe suối và các hồ thủy lợi khô cạn, đời sống nhân dân rất khó khăn.
Theo lý giải của các nhà khoa học, ba phần tư lãnh thổ Ninh Thuận được những dãy núi cao bao bọc, như chiếc bình phong chắn gió mang mây và mưa tới. Vùng trời Ninh Thuận luôn trong xanh, nắng chói chang và có số ngày mưa trong năm rất thấp. Ninh Thuận được nhiều người ví von là vùng sa mạc của Việt Nam.