Большая Песчаная пустыня площадью 360 тыс. кв. км расположена в северо-западной части континента и вытянута широкой полосой (свыше 1300 км) от побережья Индийского океана на западе между южными отрогами хребтов массива Кимберли и северными отрогами хребта Хамерсли до хребтов Макдоннелл и Петерман на востоке (они находятся в центре страны в штате Северная Территория). В северо-восточном углу Большая Песчаная пустыня переходит в пустыню Танами. Ее южная граница сливается с пустыней Гибсона.
Поверхность пустыни приподнята над уровнем моря на высоту 500—700 м. Типичной формой рельефа являются широтно расположенные песчаные гряды, идущие с востока или юго-востока на запад. Высота гряд составляет в среднем 15 м, колеблясь от 10 до 40 м. Их длина достигает 40—50 км. Межгрядовые пространства имеют ширину около 400—800 м, иногда достигая 2400 м. Пески большей частью закреплены, и передвижение их идет вдоль гребня под действием господствующих ветров. Этим Большая Песчаная пустыня во многом напоминает пустыню Симпсон.
Межгрядовые пространства почти всегда заняты каменистыми поверхностями, покрытыми железистым, или кремниевым щебнем. Ближе к предгорьям встречаются каменистые и галечно-щебнистые поверхности. Повсеместно встречаются небольшие впадины, занятые солончаками.
Количество осадков в пустыне изменяется от 250 мм на юге до 400 мм на севере. Постоянные водотоки отсутствуют, хотя по периферии пустыни и встречается множество древних сухих русл, занесенных песком.
Примечательностью Большой Песчаной пустыни является «крупнейший монолит в мире» — островная гора Айерс-Рок, расположенная в юго-восточной части. Она возвышается над равниной на 350 м, а ее окружность достигает 8 км.