Расположен в Астраханской области к востоку от железнодорожной станции Ашулук. В советское время полигон находился на территориях двух республик — России и Казахстана. Отведённый под него участок площадью 120 км на 38 км полностью расположен в пределах Астраханской области, а другая его часть осталась за границей (см. пилотную карту).
Расположен к северо-западу и западу от озера Балхаш в пустыне Бетпак-Дала (Голодная Степь) на территориях Карагандинской и Жамбылской областей Казахстана.
Полигон занимал во времена СССР 81 200 км (в том числе на территории Карагандинской обл. Республики Казахстан 49 200 км). Административный центр полигона — ранее закрытый город Приозёрск, расположенный на берегу озера Балхаш.
Ближайшая к Приозерску железнодорожная станция Сары-Шаган находится от него в 6 км в одноименном населенном пункте на железной дороге Моинты-Шу, построенной в 1950 г. Через полигон также проходит автомобильная дорога Екатеринбург—Алматы (см. топографическую карту).