巴图湾水库位于鄂尔多斯市乌审旗境内，河南乡巴图湾村西约200米处，距旗政府所在地达布察克镇90公里。水库地处毛乌素沙漠南部边缘，黄河一级支流无定河的上游181.9公里处，地理坐标为东经108°47′北纬37°29′。无定河发源于陕西省定边县长虫梁，经内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗、乌审旗86公里后又进入陕西，于陕西省清间县河口村汇入黄河，全长491.2公里，集水面积30261平方公里。
巴图湾水库上游85公里处建有陕西省靖边县的新桥水库，该水库上游流域面积1331平方公里，巴图湾至新桥水库区间面积3421平方公里，该区间支流水库、塘坝较多，只有四条支沟产流，产流面积为290平方公里。经分析计算该河流多年平均径流量为7244万立米，巴图湾水库多年平均来沙量为41.5万立米。
巴图湾水库主要建筑物有：土坝、明渠进水涵闸、明渠、竖井和漏斗、输水洞、压力钢管、泄水钢管、水电站、升压站。土坝为均质土坝，坝顶长度305米，最大坝高34.7米，坝底高程1148.60米，坝顶经几次加高由原设计高程1180.60米加高到1183.30米，防浪墙高1.5米，墙顶高程1184.8米，坝顶宽8.0米。进水闸涵洞地板高程1171.60米，洞长25米，启闭机室地面高程1180.60米。明渠全长71.43米，比降1/5000，底宽4.2米，渠底高程1171.60米，渠背顶宽2.0米。竖井和漏斗为齿墙加止水连接，边坡1︰1.5，墙后弧形土坝，坝长42米，顶宽5米，墙后暗管排水，竖井是明渠渐变为输水洞的联接建筑物，内径3米，井深140米。输水洞为混凝土压力涵洞，洞径2米。电站3台机组总装机容量2800千瓦，年发电量570度，引水灌溉面积0.40万亩。库区内有渔场一处，有1100亩苹果基地，元鱼养殖场，门市部、加油站、防汛调度大楼、旅游局大楼等。