喀拉塔格隧道横穿喀拉克孜勒塔格山脉，喀拉克孜勒塔格山属中天山南支脉，在北西至包尔图与中天山北支脉连为一体，沿山势走向北西高、南东低，隧道位置山体平均高程为1700～1900m，属于低中山区，山体由硬质岩组成，基岩裸露，相对高差300～500m，山势陡峻，植被稀疏，“V”型季节性构造沟谷发育，无常年流水河沟。隧道起讫里程为DK186+323～DK194+010，全长7687m，为双线隧道。隧道除出口左线位于R=2000m的曲线上，其余段落位于直线段，隧道内线路坡度分别为3‰、-6.5‰、-10‰。
隧道通过区地层较单一，进出口及洞身均为华力西期花岗岩及部分构造岩。花岗岩主要有二长花岗岩及少量钾长花岗岩组成，局部地段有闪长岩脉出露，此外，花岗岩中有少量闪长岩、辉绿岩、伟晶岩岩脉侵入。隧道工程区构造岩类分布在f17-f21各断层破碎带及影响带中，断层破碎带主要由碎裂岩、断层角砾组成，局部夹少量断层泥砾。
