A Sonora-sivatag a Kaliforniai-öböl északi végét öleli körül, az öböl nyugati oldalán Alsó-Kalifornia államon át (a Csendes-óceáni partvidék és a központi magashegység kivételével) lenyúlik Déli-Alsó-Kalifornia államig (a középső részen és az óceáni partvidéken az El Vizcaíno Bioszféra-rezervátum, és a félsziget déli csúcsán); az öböl keleti oldalán Kalifornia állam délkeleti, Arizona délnyugati és déli részén át nyúlik le Sonora állam nyugati és középső területeiig.[3]
Nyugati oldalán az Észak-amerikai Parti-hegység déli részét képező Peninsular-hegység határolja és választja el a Csendes-óceáni lejtő Kaliforniai chaparral és erdőség (északnyugaton) és Alsó-Kaliforniai-sivatag (délnyugaton) ökorégióktól. Északon, Kaliforniában és Arizona északnyugati részén a Sonora-sivatag fokozatosan megy át a hidegebb telű, kissé magasabban fekvő Mojave, Great Basin és Colorado-plató sivatagokba. Keleti és délkeleti oldalán szintén fokozatos az átmenet az arizonai hegyvidéki erdők és a Nyugati-Sierra Madre magasabban fekvő, tűlevelű erdőkkel borított ökorégióiba. Délen, Mexikó Sinaloa állama felől a Sonora-Sinaloa átmeneti szubtrópusi száraz erdők ökorégiója határolja.[3]
A sivatag alrégiói a délkelet-kaliforniai Colorado-sivatag és az észak-déli irányú Colorado folyó keleti partján fekvő Yuma-sivatag. Forrest Shrieve 1957-es publikációjában (Vegetation of the Sonoran Desert - A Sonora-sivatag növényvilága) jellemző növényzete alapján hét régióra osztotta a Sonora-sivatagot: alsó Colorado-völgy, arizonai fennsík, Sonora-síkság, Sonora-előhegység, öböl középső partvidék, Vizcaíno régió, Magdalena régió.[4] Napjainkban több ökológus úgy véli, hogy Shreve Vizcaíno és Magdalena régiói, melyek a Kaliforniai-félsziget nyugati felén fekszenek, önálló ökorégiót alkotnak: az Alsó-Kaliforniai-sivatagot.
A Sonora-sivatag Mexikóban fekvő déli részén található az El Pinacate és Altar-sivatag Bioszféra-rezervátum(Reserva de la Biosfera el Pinacate y Gran Desierto de Altar), melynek területe 2000 km² sivatagos és hegyvidéki terület.[5] A Pinacate Nemzeti Parkban található Észak-Amerika egyetlen aktív erg-típusú sivatagja (dűnetenger). A parkhoz legközelebb eső város Puerto PeñascoSonora államban.
Számos növényfaj nemcsak elviseli a Sonora-sivatag kegyetlen körülményeit, hanem egyenesen jól érzi magát benne. Közülük sokan speciálisan alkalmazkodtak a sivatagi klímához. A Sonora-sivatag kétévszakos csapadékeloszlása több növényfaj kifejlődését eredményezte, mint Észak-Amerika bármelyik másik sivatagja.[8] A sivatag növényzetét agávéformák, pálmavirágúak, kaktuszok, pillangósvirágúak és más növények alkotják.
A Sonora-sivatag a világ egyetlen helye, ahol a saguaro kaktusz vadon megtalálható.[9] Az itt élő kaktuszok közt megtalálható a Cylindropuntia, a hódfarkú fügekaktusz(Opuntia basilaris), az Echinocereus, a Ferocactus wislizeni, fügekaktusz(Opuntia), a Peniocereus és a Stenocereus thurberi. A kaktuszok táplálékot és otthont biztosítanak számos sivatagi emlős- és madárfajnak; feltűnő vörös, rózsaszín, sárga és fehér virágaik a fajtól és az évszak hőmérsékletétől függően márciustól júniusig nyílnak.
A völgyekben a kreozotcserje (Larrea tridentata) és az Ambrosia dumosa a jellemző. A Psorothamnus, az Ephedra és a Prosopis nemzetségbe tartozó fajok szintén megtalálhatók. A sivatagi vadvirágok közül itt él az Abronia villosa, a Geraea canescens, valamint Oehothera fajok. A völgyekből felfelé haladva a Parkinsonia nemzetségbe tartozó fajok, Olneya tesota, sivatagi fűz (Chilopsis) és Fouquieria splendens láthatók. A magasabban fekvő területeken akácia (Acacia constricta), Calliandra eriophylla, és jojoba(Simmondsia chinensis) él. A Kaliforniai-félszigeten fekvő sivatagban orgonakaktusz, Bursera microphylla és Fouquieria columnaris fordul elő.[10] A Kaliforniai Washington-pálma is megtalálható a Sonora-sivatag némely vidékén, például az Anza-Borrego Sivatag Állami Parkban.[11]
A Sonora-sivatag tizenhét indián törzsnek ad otthont, akiknek az Arizona állambeli rezervátumokban vannak települései. A Sonora-sivatag legnagyobb városa Phoenix, melynek lakossága 2008-ban 4,3 millió fő volt.[12] A város Arizona közepén, a Salt River partján fekszik, az Egyesült Államok egyik legnagyobb tempóban fejlődő városi területe.
A további nagy városok Tucson, Arizona déli részén mintegy 1 millió lakossal[12] és Mexicali (Alsó-Kalifornia), melynek lakossága 690 000 körül van. A Sonora állambeli Hermosillo lakosainak száma mintegy 715 000. A sivatag déli részén fekvő Ciudad Obregón városnak körülbelül 300 800 lakosa van.[13]
Parkok, természetvédelmi központok és kutatóhelyek
A 2008 km² területű Sonora-sivatag nemzeti parkot 2001-ben hozták létre Arizonában a sivatag értékeinek fokozott védelme érdekében.[14]