敦煌西湖位于敦煌市西部，库姆塔格沙漠以东，东接敦煌市南泉湿地和阳关镇，南与阿克塞哈萨克族自治县接壤，西、北分别与新疆维吾尔自治区和敦煌市国家雅丹地质公园毗邻并与库姆塔格沙漠和罗布泊相连。

保护区总面积66万公顷，约占敦煌市总面积的21%，其中核心区19.8万公顷，缓冲区14.575万公顷，试验区31.625万公顷。主要保护范围包括湾腰墩、天桥墩、土豁落、大马迷兔、小马迷兔、艾山井子、清水沟、火烧胡、后坑子、盐池湾、羊圈湾、崔木土沟、多坝沟（敦煌境内段）和卡拉他个等地区。