Tilemsin laakso (ransk. La vallée de Tilemsi) on tasankomainen kuivunut jokilaakso Malin Kidalin ja Gaon alueilla. Se ulottuu pohjois-eteläsuunnassa Adrar des Ifoghas -vuoriston länsipuolelta Nigerjoelle.[1][2] Pohjoisosa kuuluu Saharaan ja eteläosa Sahelin vyöhykkeeseen. Seudulla on runsaat pohjavesivarat, mutta pintavedet käsittävät vain sateiden jälkeen nopeasti kuivuvia vadeja ja lampia. Kasvillisuus koostuu etupäässä pensaista ja heinäkasveista.[3] Bouremin piirin Tarkintin kunnassa sijaitsee suuri fosfaattiesiintymä[4].
Laakson kautta kulkee Gaosta Kidaliin sekä Tessalitin kautta Algeriaan johtava tie. Seudulla asuvat tuaregit harjoittavat etupäässä paimentolaisuuteen perustuvaa karjanhoitoa[5]. Karkarichinkatissa noin 45 kilometriä Gaosta pohjoiseen on arkeologinen löytöpaikka, joka on ajoitettu neljännelle vuosituhannelle ennen ajanlaskun alkua. Sen muinaiset asukkaat harjoittivat metsästystä, kalastusta ja karjanhoitoa, valmistivat keramiikkaa ja pieniä eläinhahmoja.[6]