昌吉州屬於中溫帶，典型的大陸性幹旱氣候，特點是冬冷夏熱，晝夜溫差大。由於地形條件的影響，從南到北氣候差異很大，南部山區氣候特征明顯。夏季雨量充沛；北方沙漠氣候特征明顯。昌吉州日照充足，年日照時數2700小時，年太陽總輻射133.6大卡/cm2。庫容條件也很充足，≥10℃的積溫為3450℃，其中年平均氣溫6.8℃，10月平均氣溫1.6℃，7月平均氣溫24.5℃。年平均降水量190 mm，夏季明顯多於冬季。全年無霜期為160-190天。
昌吉州自然資源豐富，土地資源1.41.0057億畝，其中耕地1.057萬畝。有天然林370萬畝，木材儲量2300萬立方米；草地9981.3萬畝，其中可利用草地8670.2萬畝。此外，全州還有50多種礦產資源，其中最豐富的有石油、煤、鐵、銅、金、玉石、硝酸砷、天然氣、石棉、鉻、鋅、鋁、池鹽、珍珠巖、應時、石墨、膨潤土、雲母、石灰、沸石和油頁巖。目前已探明油田9個，總面積200平方公裏，將成為國家重要的石油產區。煤、鐵儲量居新疆首位，其中煤炭儲量約250億噸。昌吉州還擁有豐富的野生動物資源，如野馬、野驢、鵝喉羚、山羊、雪豹、馬鹿、雪雞和熊。
早在新石器時代，昌吉地區就有人類活動，創造了燦爛的“四道溝文化”。西漢時，這片疆域屬於西域三十六國之壹的車氏國，後者分前後，這片疆域屬於車氏的後方。公元前102年，漢在西域設立“使者隊長”時，漢軍統治了這壹地區。漢元康四年(公元前62年)，在北庭(今吉木薩爾縣)設都尉吳，在位400余年。14年(公元640年)，唐朝貞觀建立汀州，轄金曼、輪臺、普壘、西海四縣，相當於今天昌吉州的大部分。長安二年，武侯(公元702年)建立北朝大都護府，管轄天山以北、巴爾喀什湖以南的廣大地區，書寫了古代西域歷史上最輝煌的篇章。宋朝時期，這片領土先後屬於吐蕃和回紇汗國。元憲宗初年(公元1229年)，在這壹地區設立“尚書省”。元朝以後，國家衰落，西域四分五裂。這片領土屬於察合臺汗國。公元1697年，噶爾丹被清朝康熙帝滅，這片疆域回歸清朝。乾隆二十七年(公元1762年)，這片疆域歸伊犁將軍管轄，後來乾隆在棣華設置鎮地路，管轄這片疆域的大部分地區。光緒十年(公元1884年)，新疆建省，昌吉州大部歸迪化州。
1954年7月8日，昌吉回族自治區成立，轄昌吉、烏魯木齊、米泉三縣。1955年3月更名為昌吉回族自治州，瑪納斯、呼圖壁、奇臺、吉木薩爾、阜康、雷姆等縣於1958年納入本州管轄。烏魯木齊縣1959劃入烏魯木齊。1983後，昌吉市、阜康縣、米泉縣相繼設市。至此，昌吉州下轄5縣3市。