黑河全长约821公里，流域面积约为14.3万平方公里。黑河干流从祁连山北麓流出，流经河西走廊，最终注入内蒙古额济纳旗境内的居延海。黑河流域分为东、中、西三个子水系，其中东部子水系即为黑河干流水系，流域面积最大，达到11.6万平方公里。
河流地处青藏高原和内蒙古高原的过渡地带，地势南高北低，主要地貌包括高山、中山、低山丘陵和走廊平原。其下游额济纳旗的胡杨林，是世界三大片胡杨林之一。
全流域气候干燥，降水稀少而集中，年蒸发量远高于降水量，属于温带大陆性干旱气候。可以说没有这条河流就没有一系列绿洲城市。黑河上游的祁连山区是其主要的水源涵养区，中游地区以农业灌溉为主，下游则以荒漠和绿洲为主。中游的河西走廊平原是甘肃省的主要粮食产区，张掖地区享有“金张掖”美誉。下游额济纳旗是中国“沙漠人参”——苁蓉的主要产区。
河流中游的绿洲
张掖绿洲位于甘肃省河西走廊中段，祁连山北侧的洪积平原上，是河西走廊最为富庶的绿洲之一。其形成得益于黑河的滋润。通过修建水利设施和灌溉系统，人们将黑河的水资源引至农田，形成了大规模的灌溉农业区。这种人工绿洲逐渐取代了部分天然绿洲，使得耕地面积显著增加。
张掖绿洲的农业历史悠久，早在数千年前就已开始种植农作物。早在唐朝时，甘州刺史曾奉命在甘州屯田引种水稻，城北乌江的大米味道醇香，还曾成为贡米。如今，张掖是甘肃省的商品粮基地，以乌江大米、民乐豌豆、油菜籽等特色农产品闻名。
目前，张掖是全国最大的玉米制种区，全国玉米种植所需种子，差不多3粒中有1粒就是在张掖绿洲上繁育的。张掖的玉米制种面积和产量均在甘肃“独大”，占全国玉米种子产量的60%。
张掖的蔬菜产业位于高海拔地区，生产绿色有机的农产品有得天独厚的条件。目前，张掖有蔬菜面积70万亩，计划做到100万亩，主要出口中亚国家或地区。
河流下游的胡杨林
额济纳旗胡杨林的总面积约为45万亩，主要分布在黑河下游两岸，形成了一条近千里的绿色走廊。这里的胡杨林树龄普遍在百年以上，有的甚至超过千年，是亚洲最大的胡杨林带之一。
每年秋季，当第一场秋霜降临，胡杨树叶由绿变黄，整个林区呈现出一片金黄色调，阳光下熠熠生辉，犹如精美的油画，吸引了大量游客和摄影师前来观赏。
胡杨树根系发达，能有效防止水土流失，为周边地区提供良好的生态环境。通过黑河分水、兴修水利设施、围封禁牧及退牧还林还草等措施，胡杨林和野生动植物得到了有效保护，目前胡杨林的生态持续恢复，胡杨林面积从39万亩增长至45万亩，绿洲面积新增近200平方公里。
河流末端的居延海绿洲
黑河，中游在甘肃境内改称弱水，进入内蒙古阿拉善盟后称为额济纳河。在额济纳旗境内，额济纳河流程约250公里，河道平均宽150米左右，平均流量在200～300立方米/秒之间。该河流经狼心山后分为东西两支，分别注入东居延海和西居延海。湖面曾达726平方公里。
由于过度用水和干旱，自1961年起，东西居延海相继干涸，成为西北地区的风沙源之一。为了保护生态环境和合理利用水资源，国家在2000年成立了黑河流域管理局，实施跨省区的水量统一调度。
自2000年以来，由于生态改善和中游张掖的节水措施有效，黑河已向内蒙古额济纳旗输水169.74亿立方米，使干涸多年的居延海恢复了40平方公里的水域，显著改善了下游生态。
如今，居延海景区湿地面积为58.82平方公里。湖水清澈湛蓝，湖中生长着众多鲤鱼、鲫鱼、大头鱼、草鱼等鱼类。芦苇等水生植被面积从最初的1000亩扩展至如今的3万亩左右。
居延海离蒙古边境很近，都是戈壁地区
居延海距离蒙古边境非常近，的北部是蒙古的戈壁阿尔泰省，还临近南戈壁省。居延海距离中蒙边境不到30公里，并且策克口岸距离居延海大约35公里。
这两个临近省份大多由戈壁覆盖。当地裸露的岩石、沙丘、盐沼广布，河流和湖泊数量极少。年平均降水量极低，仅为10至20厘米。这种干燥的气候条件使得该地区的植被稀疏，主要以小灌木和沙漠草本植物为主。人口密度极低，每平方公里不到3人。
