水磨溝區位于烏魯木齊市東北部，東與烏魯木齊縣搭界，西以河灘北路為界與沙依巴克區和新市區毗鄰，南以小紅橋連接天山區，北至堿溝和卡子灣。全區總面積278平方千米，總人口30萬人（2012年）。有漢、維吾爾、回、哈薩克、錫伯等民族。全區轄10個街道：水磨溝街道、六道灣街道、葦湖梁街道、八道灣街道、新民路街道、南湖南路街道、南湖北路街道、七道灣街道、榆樹溝街道、石人子溝街道，以及水磨溝區農村事務管理辦公室（管理3個行政村）。區政府駐水磨溝街道溫泉西路68號。
地處烏魯木齊河東地帶，屬低山丘陵區，地勢南高北低。有水塔山、清泉山、溫泉山。主要河流有水磨河。屬中溫帶大陸干旱氣候區，溫差大，寒暑變化劇烈，降水量少，冬季時間長，春秋多大風。年均氣溫6.4℃，年均降水量236毫米。有豐富的煤炭資料和充足的水利資源。名勝古跡有烏魯木齊的象征——紅山，水磨溝風景區，新疆最大的佛教圣地——清泉寺等。