Абсолютная высота Гоби неравномерна. Наиболее низкие ее части лежат в бассейне реки Тарима в Чжунгарии и в середине кяхтипско-калганского пути. Затем крайние пределы, в которых варьируется поднятие остальной пустыни над уровнем океана, заключаются между 3500 и 5000 футов; изредка подъем доходит до 5200 и даже 5500 футов.
Но как в более низких, так и в более высоких частях Гоби орошение ее крайне бедное, за исключением разве северной и восточной окраин. Из больших рек пустыне принадлежит сполна лишь Тарим, образующий своим конечным разливом озеро Лоб-нор; затем более других значительны Урунгу в Чжунгарии и Керулен на северо-востоке Гоби; в юго-восточном ее углу является на время Хуан-хэ, с трех сторон огибающая Ордос. Другие речки, стекающие с окраин гор или с Восточного Тянь-шаня, за исключением немногих, обыкновенно пропадают, лишь только покажутся в пустыне.
Ключи редки в пустыне, в особенности там, где залегают сыпучие пески; притом вода этих ключей иногда бывает соленой или с примесью каких-либо других минеральных частиц. Наконец колодцы, доставляющие главным образом воду для обитателей Гоби, во многих ее местах также не обильны, можно даже сказать — редки. Все они неглубоки, воду имеют большей частью соленую, иногда известковую, нередко весьма противную на вкус.
Почва Гоби состоит из щебня или гальки, иногда с гравием, из сыпучего песка, наконец; из лёссовой глины. Однако в различных частях пустыни тот или другой род почвы преобладает неодинаково. Так, сыпучие пески, вероятные остатки прежних мелей и дюн внутреннего моря, залегают всего более в Южной Гоби — от бассейна Тарима через Ала-шань в Ордос, а также в Чжунгарию; спорадически, сравнительно небольшими площадями, встречаются и в других местах пустыни. Щебень или галька — продукты разложения и выветривания местных горных пород, — а также гравий, иногда с примесью голышей халцедона, агата и кварца, наполняют собой среднюю, самую бесплодную часть Гоби, простираясь отсюда и в Чжунгарию. Лёссовая глина составляет почти везде подпочву сыпучих песков, примешивается к щебню и гравию, наконец залегает сама по себе в чистом виде или в виде солончаков, разбросанных спорадически, но опять-таки всего более в южной, средней и западной частях пустыни.
Климат Гоби характеризуется своей крайней континентальностью и, за исключением южных частей пустыни, весьма большой суровостью. Даже в Юго-Восточной Монголии, под 42° северной широты, мы наблюдали в конце ноября морозы до -32,7°, тогда как в Северной Гоби и в Чжунгарии охлаждение воздуха зимой иногда переходит точку замерзания ртути. Притом сильные ночные морозы продолжаются день в день через всю зиму; нередко выпадают и весной. Но в тех же самых местах летом наступает чуть не тропическая жара, в особенности чувствительная при отсутствии лесной тени и при крайней сухости атмосферы. Оголенная почва пустыни нагревается в это время обыкновенно от 50 до 60 °C, иногда даже более; между тем как зимой та же почва охлаждается до -26,5 °C, вероятно и более. Переходы от холода к теплу весной и наоборот осенью обыкновенно бывают весьма круты.
Рядом с весьма низкой температурой зимой и весьма высокой летом в Гоби является постоянно крайняя сухость воздуха, в особенности в центральной и южной частях пустыни; северная же и восточная ее окраины пользуются летом сравнительно достаточным количеством атмосферных осадков. Эти осадки приносятся на северную окраину Гоби северными и северо-восточными ветрами, которые, пройдя от Полярного моря через Сибирь, осаждают свою влагу на северных склонах пограничных гор и лишь небольшой остаток этой влаги проливают на соседнюю пустыню, но этого довольно, чтобы превратить ее в степь. В Восточной же и юго-восточной Гоби летние дожди приносятся из Китайского моря юго-восточным муссоном, достигающим здесь своей крайней западной границы. Остальные части описываемой пустыни, в особенности бассейн Тарима, получают дождь или снег, как большую редкость.
Впрочем, в средней Гоби иногда, но не каждое лето, случаются единичные ливни, образующие кратковременные потоки и более продолжительные озера на ровных глинистых площадях. Зимой снег вообще редок в Гоби; в южных же ее частях снега почти вовсе не бывает.