巴圖灣水庫位于鄂爾多斯市烏審旗境內，河南鄉(xiāng)巴圖灣村西約200米處，距旗政府所在地達布察克鎮(zhèn)90公里。水庫地處毛烏素沙漠南部邊緣，黃河一級支流無定河的上游181.9公里處，地理坐標為東經108°47′北緯37°29′。無定河發(fā)源于陜西省定邊縣長蟲梁，經內蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗、烏審旗86公里后又進入陜西，于陜西省清間縣河口村匯入黃河，全長491.2公里，集水面積30261平方公里。

巴圖灣水庫上游85公里處建有陜西省靖邊縣的新橋水庫，該水庫上游流域面積1331平方公里，巴圖灣至新橋水庫區(qū)間面積3421平方公里，該區(qū)間支流水庫、塘壩較多，只有四條支溝產流，產流面積為290平方公里。經分析計算該河流多年平均徑流量為7244萬立米，巴圖灣水庫多年平均來沙量為41.5萬立米。

巴圖灣水庫主要建筑物有：土壩、明渠進水涵閘、明渠、豎井和漏斗、輸水洞、壓力鋼管、泄水鋼管、水電站、升壓站。土壩為均質土壩，壩頂長度305米，最大壩高34.7米，壩底高程1148.60米，壩頂經幾次加高由原設計高程1180.60米加高到1183.30米，防浪墻高1.5米，墻頂高程1184.8米，壩頂寬8.0米。進水閘涵洞地板高程1171.60米，洞長25米，啟閉機室地面高程1180.60米。明渠全長71.43米，比降1/5000，底寬4.2米，渠底高程1171.60米，渠背頂寬2.0米。豎井和漏斗為齒墻加止水連接，邊坡1︰1.5，墻后弧形土壩，壩長42米，頂寬5米，墻后暗管排水，豎井是明渠漸變?yōu)檩斔吹穆摻咏ㄖ?，內?米，井深140米。輸水洞為混凝土壓力涵洞，洞徑2米。電站3臺機組總裝機容量2800千瓦，年發(fā)電量570度，引水灌溉面積0.40萬畝。庫區(qū)內有漁場一處，有1100畝蘋果基地，元魚養(yǎng)殖場，門市部、加油站、防汛調度大樓、旅游局大樓等。