居延海，位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗北部。汉代称“居延泽”，后也称“西海”，唐代以来一直称“居延海”。西居延海称嘎顺淖尔，东居延海称苏古诺尔，是穿越巴丹吉林沙漠和大戈壁通往漠北的重要通道。古代认为这里就是《尚书》所谓的“流沙”。目前，东居延海为国家级水利风景区。西汉至唐时期为河西走廊的一部分，属张掖郡（甘州），西夏时期建有黑水城（喀喇浩特），明初废弃，位于嘉峪关以北，为通向草原丝绸之路的常经之地，也是军事战略要地，曾出土过西汉中期至东汉晚期的居延汉简。东汉曾在此建立过西海郡；东突厥复国后，安北都护府迁于此地。

据野外踏勘，史前时期居延海面积达2600平方公里。汉时称为居延泽，面积726平方公里。

古居延海由东、西居延海和京斯图淖尔三部分组成，额济纳河，又称黑水、黑河，自甘肃省张掖（古称甘州）往北流，改称弱水，至上流青山头再分成两条支流；西为穆林河，注入西居延泽（嘎顺诺尔）；东为纳林河，注入东居延泽（索果诺尔），在丰水期时居延海合成一湖。与蒙古族土尔扈特部世代相伴。居延海总面积约720平方公里，飞鸟栖息，波光粼粼，“鸭浮绿波、碧水青天”。

该地区年蒸发量约3000毫米，而降雨量不足40毫米，完全靠额济纳河（黑河）补给，清代诗人任万年称“巨浪滔天大石浮，龙形滚滚向东流”。东居延海的海拔为907米。居延海是在东西断裂形成的条带状洼地的基础上形成，再加上风力剥蚀作用使洼地范围扩大形成居延海湖盆。湖盆内有巨厚的侏罗纪沉积。第四纪早期造成静水沉积的环境，说明为温暖湿润的淡水湖泊。更新世－全新世以来气候转为干旱。

1958年（特大丰水年）航片显示，西居延海面积约为267平方公里，东居延海面积约35平方公里。由于黑河上中游人口的增加，阿拉善高原曾掀起几次大规模的开荒浪潮，因黑河上游过度开荒造田，截留蓄水灌溉，20世纪后期居延海曾几度干涸，1961年西居延海干涸，1992年东居延海干涸，造成胡杨林、沙枣林、红柳林、芦苇、芨芨草等优质牧草大面积死亡，生态环境急剧恶化，成为沙尘暴的发源地之一。

2000年起，国务院授权中华人民共和国水利部黄河水利委员会设立黑河流域管理局，对黑河流域统一管理，逐步采取措施恢复居延海生态环境。每年通过“全线闭口，集中下泄”向下游多次调水。同时，限制上游（主要是甘肃省张掖市）用水。2002年、2003年黑河流域发生洪水，调水过程比较顺利。从2002年起，每年有4000－5000万立方米黑河水流入居延海。2002年7月17日，首次流入东居延海。2003年的第二次调水，形成了东居延海26.8平方公里。2003年9月24日，首次流入干涸42年的西居延海。2005年7月调水后，东居延海自1992年以来首次实现全年不干涸。2006年居延海水面面积达到38.5平方公里，蓄水量达到4720万立方米。2011年蓄水量约5000万立方米，面积38平方公里。

公元前121年（元狩二年），汉朝大将军霍去病的军队出北地自灵武（今宁夏银川西北）渡河，翻越贺兰山、穿越浚稽山沙地（今巴丹吉林大沙漠），饮马于居延海，再经黑河向南包抄祁连山下，在酒泉和张掖一带击败了匈奴主力，擒获单桓王和酋涂王，匈奴浑邪王刺杀休屠王之后，归降汉朝。汉太初三年（前102年）伏波将军路博德筑城于居延泽上，遣军民十八万，置居延休屠二县，广建寨墙亭障，防御匈奴南下侵拢。公元前99年（天汉二年），“使（李）陵将其射士兵五千人，出居延北可千余里，欲以分匈奴兵”。东汉时期设居延属国。

魏晋时称为西海。唐代诗人王维更是写下《塞上作》一诗：“居延城外猎天骄，白草连天野火烧，暮云空碛时驱马，秋日平原好射雕。”

至今两岸古迹甚多，西夏建有喀喇浩特（即黑水城），傍居延海而建，并设置了“黑水镇燕军司”。西夏末年河水改道，古居延海逐渐消失。元代扩建黑水城，设置“亦集乃路总管府”，“亦集乃”汉语译为“黑城”。元代分为哈班、哈巴、喇失三海子。1372年，明朝将军冯胜率军进攻元朝将领卜颜帖木尔据守的黑城，在东河上筑拦河坝，断绝黑城饮水，迫使元军投降。由于当时冯胜采取了断水为攻的战法，使得弱水改道，造成居延海的绿洲消失。明朝在攻克黑城后，旋即又被迫放弃控制居延海地区。