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乌兰乌拉湖位于青海省格尔木市唐古拉山镇北部，北接治多县北麓河乡，东临乌兰乌拉山及沱沱河。地处可可西里自然保护区核心区南部与长江源保护区西南部交界地带，湖盆位于乌兰乌拉山与祖尔肯乌拉山之间的构造断陷带。

湖泊由北、西、东三部分通过狭窄水道相连，整体呈环状排列。北湖形态狭长，卫星影像（2019年）显示其轮廓形似孔雀与狮子组合。湖岸线曲折，深锯齿状特征显著，分布有多个大型岛屿。截至2012年，湖面面积扩展至655.25平方公里，另有测量数据显示为544.5平方公里或655.25平方公里（2012年）。

湖水水位海拔约4854米，属内流区闭流型咸水湖，矿化度较高。水源补给以高山冰雪融水为主，辅以大气降水和泉线涌水。南面等马河、西南跑牛河及西面季节性河流构成主要入湖水流。受气候暖干化影响，流域冻土消融加速，湖泊面积呈持续扩张趋势。

湖区属羌塘高寒草原半干旱气候，年均气温-6℃，年降水量100—200毫米。植被覆盖率为20%—35%，以紫花针茅、黄芪等高原物种为主。野生动物包括藏野驴、野牦牛及藏羚羊，湖内栖息裂腹鱼、小头裸裂尻鱼及赤麻鸭、斑头雁等。湖区东南部发育有山麓冲积—洪积扇，北部屏湖岭形成陡峭湖岸。

乌兰乌拉湖水温低，封冰期达六个月；湖中鱼类很丰富，鲤科的裂腹鱼是最常见的优势种，这些鱼不仅在漫长的冬季在洞里休眠，而且在夏天部分时期也休眠以躲避白天强烈的太阳辐射和晚上的低温。

东方是乌兰乌拉山，再东方是沱沱河。

在可可西里自然保护区核心区的南部。在长江源保护区的西南部。