Buxoro viloyati Oʻzbekistonning gʻarbiy-qismida joylashgan. Maydoni 40 216 km². Gʻarb va janub-gʻarbida Turkmaniston bilan, ichki chegaralarda Navoiy va Qashqadaryo viloyatlari bilan tutashadi. Hududining katta qismi Qizilqum choʻlini tashkil qiladi.