其地域范畴与呼图壁县的行政区划基本一致。流域西南与玛纳斯河交界源峰为最高峰，海拔5292m；北部平原沙漠最低处仅360m，南北高差近5000m。从河源至下游，大致可以分为山地—丘陵—冲积扇—冲洪积平原4个地貌单元。按地形变化可以概括为南部山区、中部平原区、北部沙漠区。
流域含呼图壁河和军塘湖河二大独立水系。其中军塘湖河发源于中山带，径流以山区地下水为主要补给源；呼图壁河是流域的主水系，是天山北坡中段第二大河流，河道总长度176km。呼图壁河上游山区支流呈树枝状分布，两岸有一级支流30条，其中10条支流源头在冰川和永久积雪区，其余支流皆源于中山、低山区，靠季节性积雪消融和夏季降水补给。流域内共有大小冰川239条112，冰川总面积72.07平方公里，冰川储量23.53亿立方米，年消融量达0.524亿立方米，是呼图壁河径流较稳定的补给来源之一。上游河道坡降较大，石门水文站以上达23.3‰，主河道在中山区形成后，经过中山区、戈壁平原区，在冲积扇缘，泉水溢出带的芨芨坝处再分为2条河（东河和西河）。东河上建有小海子拦河水库，西河上建有大海子拦河水库。流域自上而下分别建有石门水文站、呼图壁县水管站所属青年渠首及芨芨坝渠分水闸站，其中石门站集水面积为1840平方公里，其控制年径流量占该河全流域年径流量的93.3%，石门站以下主要为径流散失区。