吉木萨尔县位于新疆维吾尔自治区的东北部，天山北麓东段，准噶尔盆地东南缘。它东邻奇台县，西毗富蕴县，南接木垒哈萨克自治县和吐鲁番市鄯善县，北连富蕴县和阿勒泰市。而乌鲁木齐市则位于新疆的中部，天山山脉中段北麓、准噶尔盆地南缘。因此，从地理位置上看，吉木萨尔县位于乌鲁木齐市的东北方向。