Расположена на юге Нарынской области, и ограничена с севера хребтами Ат-Башинским и Джанги-Джер, а с юга так называемом хребтом Как-Шаал-Тоо, точнее его западной частью. По хребту Как-Шаал-Тоо проходит государственная граница и КНР. Сама Ак-сайская долина - это широкая высокогорная долина, протянувшаяся с юго-запада на северо-восток. Дно долины практически нигде не опускается ниже 3000 м над уровнем моря, достигая порой почти 4-х километровой высоты в её верховьях. Высшая точка хребта Как-Шаал-Тоо в пределах Ак-Сайской долины – труднодоступный пик 4960 м, расположенный на границе с Китаем.
Климат долины резко континентален. Частые ночные заморозки летом сменяются достаточно высоким подъёмом температуры в дневное время. Долина является своеобразным киргизским полюсом холода. Минимальная температура, зафиксированная здесь за время наблюдений, опускалась до –56 градусов Цельсия. В то же время максимальная летняя температура достигает +33.
Долина поросла короткой, но очень густой травой, изобилует болотцами и озерками, огромные валуны разбросаны по долине в разных местах. Здесь постоянно ветрено и солнечно. Основные реки долины – это Ак-Сай, Мюдюрюм и Кёк-Кыя, которые, сливаясь вместе, образуют реку Какшаал, прорезающую хребет Западный Как-Шаал-Тоо и, после слияния уже на территории Китая с двумя другими реками Узёнгю-Кууш и Сары-Джаз, также пробившими себе путь через этот же хребет в средней и восточной его части соответственно, несут свои мутные воды в реку Тарим. Река Аксай многоводна, течет в широком русле, часто разветвляясь, и имеет много притоков. Она к бассейну Нарына не относится.
В долине обитает множество птиц: снежный воробей, краснобрюхая горихвостка, маскированная трясогузка, сокол балобан, огарь, обыкновенная пустельга, горный конек, кулики, серпоклюв, белоголовый сип, черный гриф, бородач, беркут.
Из млекопитающих; сурки, архары, сибирский козерог, белокоготный медведь, волки, а также снежный барс.
Аксайская долина представляет из себя высокогорную холмисто-увалистую равнину с небольшими перепадами высот (до 100-150 метров). Средняя высота сыртов в данном месте 3200-3300 метров. Вследствие недостатка влаги растительность не так обильна. Лишь местами наблюдаются участки высокотравья, со скрытыми неровностями.
Кроме того, по долинам ручьёв в понижениях иногда встречаются небольшие заболоченные участки. Эти болотца достаточно живописны, тут можно встретить стайки уток-огарей, куликов. А зимой такие болотца "гибель" для архаров. Волки, собравшись зимними стаями, выгоняют стадо архаров на лед замерзших болот, где начинается "волчья работа"...
Здесь есть поселение древнего человека периода неолита.
