พื้นที่โดยทั่วไปของทะเลทรายอาตากามาถูกปกคลุมไปด้วยแอ่งดินสลับกับผืนทรายราบเรียบ ดูเวิ้งว้างและทอดยาวสุดลูกหูลูกตา สภาพทางภูมิศาสตร์ของทะเลทรายเป็นที่ราบสูงที่ลาดชันขนานไปกับแนวเทือกเขาแอนดีสซึ่งเป็นเทือกเขาสูงตะหง่านที่ทอดยาวไปตามไหล่ทวีปอเมริกาใต้ ส่วนด้านตะวันออกติดกับมหาสมุทรแปซิฟิก ในทะเลทรายมีปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยต่อปีเพียง 1 มิลลิเมตรเท่านั้น ในขณะที่บางพื้นที่ของทะเลทรายกลายเป็นพื้นที่ที่ไม่เคยมีฝนตกลงเลย การที่มีปริมาณฝนตกลงในพื้นที่ดังกล่าวเพียงจำนวนน้อยทำให้ทะเลทรายอาตากามากลายเป็นทะเลทรายที่แห้งแล้งและร้อนระอุที่สุดของโลก ในอาณาบริเวณของทะเลทรายเต็มไปด้วยทราย เกลือ และกระแสลาวา

ความแห้งแล้งและความร้อนระอุที่เกิดขึ้นกับทะเลทรายอาตากามาเกิดจากปัจจัยสำคัญสองประการ คือการที่มีเทือกเขาสูงตะหง่านขวางกั้นอยู่ทางทิศตะวันออก ทำให้ลมและฝนไม่สามารถฝ่าปราการธรรมชาติเข้ามาถึงดินแดนแห่งนี้ได้ และแม้อีกฟากจะติดกับมหาสมุทรแปซิฟิกแต่พื้นที่ดังกล่าวกลับถูกจัดให้เป็นพื้นที่ที่เรียกว่า แอนติไซโคลน (anticyclone) ซึ่งแทบจะไม่มีพายุพัดผ่าน ความร้อนระอุจึงถูกทับถมลงบนพื้นทรายโดยไม่มีปัจจัยให้ผ่อนคลายหรือระบายออกเลย ปัจจัยสำคัญทั้งสองประการเสริมให้ทะเลทรายอาตากามากลายเป็นพื้นที่ที่แห้งแล้งที่สุดในโลก แต่กระนั้น ทะเลทรายอาตากามาก็ใช่ว่าจะขาดความชุ่มชื้นเอาเสียเลย เพราะสายลมตะวันตกยังได้พัดพาไอระเหิดระเหยจากมหาสมุทรแปซิฟิกพัดผ่านเข้ามาสู่ทะเลทรายบ้างเป็นครั้งคราว แม้จะเป็นเพียงไอชุ่มฉ่ำเพียงเล็กน้อย แต่ก็มากพอให้สิ่งมีชีวิตบางชนิดสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้บนพื้นทรายอันแห้งผากแห่งนี้