El desierto de Sonora se extiende alrededor del extremo norte del golfo de California, desde Baja California Sur (Reservas de la Biosfera de El Vizcaíno en la parte central y la costa pacífica occidental, subregión de la costa central del golfo en el este hasta el extremo sur), hacia el norte a través de gran parte de Baja California, excluyendo las montañas del noroeste central y la costa pacífica occidental, pasando por el sureste de California y el suroeste y sur de Arizona hasta las partes occidental y central de Sonora.

Está limitado al oeste por las Sierras Peninsulares, que lo separan de los matorrales y bosques de California (noroeste) y del desierto de Baja California (subregión Vizcaíno, centro y sureste) de las ecorregiones de la vertiente del océano Pacífico. La ecorregión de matorrales xerófitos del golfo de California se encuentra al sur del desierto de Sonora, en la vertiente del Golfo de California de la península de Baja California. Al norte, en California y el noroeste de Arizona, el desierto de Sonora hace la transición hacia los desiertos más fríos en invierno y de mayor altitud del Mojave, la Gran Cuenca y los desiertos de la Meseta de Colorado.

Los bosques de coníferas de las montañas de Arizona se encuentran al noreste. El desierto de Chihuahua y los bosques de pino-encino de la Sierra Madre Occidental están en elevaciones más altas hacia el este. Hacia el sur, el bosque tropical seco subtropical de transición Sonorano-Sinaloense es la zona de transición desde el Desierto de Sonora hasta los bosques tropicales secos del estado mexicano de Sinaloa.

El desierto de Sonora se subdivide en siete regiones: Valle del Bajo Río Colorado, Tierras Altas de Arizona, Llanura Sonorense, Estribaciones de Sonora, Costa del Golfo Central, El Vizcaíno y La Magdalena. Muchos ecologistas consideran que, de hecho, las regiones de El Vizcaíno y La Magdalena, que ocupan el lado oeste de la península de Baja California, son una ecorregión aparte.

Contiene gran variedad de flora y fauna endémicas. Estas especies han desarrollado adaptaciones notables para sobrevivir en condiciones de temperaturas extremas y escasa humedad.

Entre las cactáceas, el cactus saguaro emerge como un símbolo distintivo de esta ecorregión, con alturas que oscilan desde unos pocos centímetros hasta 15 metros. Tardan décadas en crecer, pues pueden vivir hasta 200 años, creciendo un metro cada 20 o 50 años.^[4]​ Durante la primavera, el paisaje se transforma con la floración de cactus y dientes de león.

Entre los mamíferos, destaca el coyote (Canis latrans); este carnívoro adaptable y ágil es una figura común en el desierto sonorense, cazando tanto en solitario como en grupos familiares; también la zorrita del desierto (Vulpes macrotis), esta zorra es conocida por sus grandes orejas, que ayudan en la regulación térmica.

Existe una enorme cantidad de reptiles, con más de 100 especies reportadas. Son distintivos el monstruo de Gila (Heloderma suspectum): un lagarto venenoso y de aspecto imponente, conocido por su coloración moteada; el lagarto de collar (Crotaphytus collaris): se encuentra en zonas rocosas y arenosas; y la culebra de cascabel diamantina (Crotalus atrox): serpiente venenosa, depredador clave en el desierto.

Entre las más de 350 aves descritas (habitantes y migratorias), destaca el mochuelo de los saguaros (o búho elfo; Micrathene whitneyi): un pequeño búho que habita en los saguaros, contribuye al equilibrio ecológico controlando poblaciones de insectos y pequeños roedores; y el carpintero dorado (Colaptes chrysoides), que suele anidar en nidos sobre los cactus. También es representativa la codorniz de Gambel (Callipepla gambelii), el buitre americano de cabeza roja (Cathartes aura) y algunas subespecies del halcón de cola roja (Buteo jamaicensis). Otra ave distintiva es el correcaminos (Geococcyx californanus), reconocida a nivel mundial gracias a la cultura popular.

Existe una enorme cantidad de endemismos de insectos, como arañas, escorpiones, hormigas y más de 1000 especies de abejas descritas. El desierto es casa de la hormiga cortadora de hojas (Acromyrmex versicolor) y varias especies de luciérnagas y escarabajos bioluminiscentes.

Más interesante aún es el hecho de que seres humanos sean capaces de habitar en el desierto. Este es el caso de la comunidad seri, un grupo indígena que antiguamente habitaba la isla más grande de México, la isla Tiburón, en el mar de Cortés. Debido a que la isla fue declarada reserva natural en 1965, los seris tuvieron que desplazarse al desierto, en donde son los únicos que tienen permiso de cazar y pescar como medio de supervivencia. Los seris habitan en Punta Chueca y Desemboque.

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  El desierto de Sonora cerca de Maricopa, Arizona.
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  Dunas de arena cerca del Gran desierto de Altar.
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  Las Montañas de Santa Catalina en el desierto de Sonora, cerca de Tucsón, Arizona.
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  Helicóptero de la Patrulla Fronteriza de los Estados Unidos sobre El Camino Del Diablo, un camino histórico de 250 millas en el desierto de Sonora.
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  Dunas de arena en la Reserva de la Biosfera de El Pinacate en el noroeste de Sonora, México.
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  Bosque de Pachycereus pringlei en Sonora, México.
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  Bosque de mesquita en con la sierra de Santa Rita al fondo.
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  Las dunas de los Algodones en el sureste de California.

•   Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Desierto de Sonora.
• Museo del Desierto de Sonora
• Línea del Tiempo del Desierto de Sonora.
• The Sonoran Desert Naturalist.
• Desierto de Sonora.
• El Desierto de Sonora, ¡un lugar lleno de vida! de México Desconocido.