大河沿子镇位于准格尔盆地西南边缘，天山支脉婆罗科努山北麓，精河县城西部，312国道以北，南至科古尔琴山与伊犁地区的伊宁县、尼勒克县相邻，北隔博尔塔拉河与博乐市相望，东与新疆生产建设兵团农五师83团毗邻，西连博乐市，西北邻阿合奇农场，总面积为1435.45平方千米，是博尔塔拉蒙古自治州最大的镇。镇政府驻大河沿子，东距精河县城53千米，南距乌一伊公路8千米；地跨东经81°44′—82°30′、北纬44°12′—44°40′。镇名源于大河沿子河，河两岸植被葱郁，水草丰茂。属于温带大陆性气候。