Gobi jest pustynią kontynentalną. Tworzą ją głównie żwirowo-kamieniste górzyste i wyżynne mniejsze pustynie, półpustynie oraz suche stepy, rozdzielone pasmami wysokich gór. Większa część pustyni leży na wysokościach 900 – 1120 m n.p.m., oprócz tego licznie występują tam masywy górskie, przede wszystkim Ałtaju Gobijskiego.
Klimat Gobi charakteryzuje się klimatem kontynentalnym, skrajnie suchym; latem temperatura sięga ponad 40 °C, a w zimie spada poniżej −40 °C. Gobi jest chłodną pustynią, nierzadko rejestrowane są tu przymrozki i śnieg, nawiewany z Syberii. Roczne opady wynoszą od 50 do 200 mm, w zależności od rejonu. Na Gobi brak jest stałych rzek, liczne są natomiast koryta rzek okresowych (do 70 km długości) zwanych sajrami. Obszary piaszczyste są nieliczne, skupione głównie przy środkowej części granicy chińsko-mongolskiej. Gobi jest najdalej wysuniętą na północ pustynią (nie licząc lodowych pustyń) na świecie.
Fauna mały|lewo|Baktriany w Parku Narodowym Gow’ Gurwansajhan Do najrzadszych zwierząt zamieszkujących Gobi należą: kułan, irbis śnieżny, baktrian oraz koń Przewalskiego (endemit gobijski, nie jest pewne czy jeszcze tam żyje w stanie dzikim, natomiast jest na Gobi hodowla zmierzająca do restytucji koni Przewalskiego).