天山山脉是既古老而又年轻的山系，具有复杂的地质发展演变历史。早在震旦纪期间，海陆分布已有比较明显的轮廓。天山地区的震旦系相当发育，从海相地层分布来看，海域北缘到准噶尔古陆，海域南缘到塔里木古陆，其范围十分辽阔，惟有在中天山地区出露前震旦系构成的东西向延伸的隆起带。但是，现代天山的形成经过古生代、中生代直到新生代晚期的晚新世—第四纪早更新世强烈的构造运动而定型。这反映了天山山脉地质发展演变历史的复杂性，也表明了它既古老而又年轻的性质。
总体说来，古生代以前是古天山的孕育时期。天山山体的形成演化过程主要经历了3个大的发展阶段，即古生代褶皱隆起阶段、中生代和早第三纪剥蚀夷平阶段晚第三纪和第四纪初的断块隆升阶段。在各发展阶段中，相对而言，第一阶段以内动力占优势，第二阶段以外动力占上风，第三阶段则以内动力为主导。正是第三阶段剧烈的构造运动，形成了现代天山山脉宏伟壮观的态势。
天山地槽褶皱系是在元古代末扬子旋回形成的古中国地台基础上产生的，经过早古生代的加里东运动和晚古生代的华力西运动，尤其是经过华力西运动后期各次强烈的构造活动，最后褶皱隆起成为高大山地。
天山地槽褶皱系进一步划分为4个褶皱带，即南天山冒地槽褶皱带、北天山伏地槽褶皱带、天山中间隆起带、北山伏地槽褶皱带。
加里东运动表现最明显的是中天山地区，北天山西段也被波及。这期间地壳运动形成中国的中天山褶皱隆起带，走向为北西西到南东东，大致西起现在伊宁和昭苏之间的乌孙山，向东经那拉提山、艾尔宾山到觉洛塔格山，并向吐鲁番—哈密盆地南缘延伸。中天山可能孕育于震旦纪以前，加里东运动褶皱隆起，从而成为晚古生代北天山海槽与南天山海槽的重要界线。正是这一运动引起强烈的地槽分化，使南、北天山地槽朝着两个不同方向发展。南天山由伏地槽背景逐步变为冒地槽环境，北天山则由冒地槽变为伏地槽环境。
泥盆纪末和石炭纪初，在北天山和南天山地区普遍发生了一次褶皱运动，这次运动属于华力西运动天山旋回的第一幕。石炭纪是天山地区地壳构造变动最频繁的时期，华力西运动天山旋回的第二、三、四、五幕在各个山段都有表现，惟在各地的运动强度有所差异，每幕运动在某些地区表现为升、降运动性质，某些地区又发生岩浆活动。经过石炭纪的多幕褶皱运动以后，北天山海槽基本回返成陆，南天山海槽也较以前大为萎缩。早二叠世，天山地区海域范围缩小，陆地面积扩大，海陆相火山活动强烈。早二叠世末的华力西运动即华力西运动天山旋回第六幕使天山海槽全部隆起成陆。晚二叠世华力西运动天山旋回第七幕使天山的一些残留水域（内陆湖泊）地区褶皱升起，从而结束了天山海槽的生市。
天山地槽褶皱隆起后，已经成为高度大、范围很广的巨大山体。
在二叠纪末，天山地槽褶皱成陆后，在天山山地南麓发育了库车山前凹陷和喀什北部凹陷，而在天山北麓形成WLMQ山前凹陷，在天山东段内部出现了吐鲁番—哈密山间凹陷，在山系西段内部产生了伊犁山间凹陷。这些山前凹陷和山间凹陷成为古生代以后接受山地剥蚀物质再沉积的主要区域。
北山伏地槽褶皱带位于天山东端，呈低山丘陵而出露。早古生代，中基性喷发显著，形成伏地槽；晚期加里东运动强烈，造成早古生代地层紧闭褶皱和变质。晚古生代则以中性喷发岩为主，于早二叠世末地槽褶皱隆起，结束地槽沉积。
古生代时期，天山地区各地在不同时段的海域大小不一，沉积环境有别，反映在沉积相和地层上具有明显不同。天山地区的寒武系均为正常的浅海相碳酸盐岩和碎屑岩。奥陶系岩相在地域上有明显差异。例如：北天山西段从下而上为海湾相到海相再到浅海相，中天山由滨海浅海相到浅海半深海相沉积。志留系在西段北天山主要为海湾—浅海相碎屑岩，中天山为浅海相碳酸盐岩和碎屑岩，南天山地区为浅海相沉积。泥盆系在北天山海槽绝大部分属中、下泥盆统，主要为海相火山岩—火山碎屑岩，上泥盆统属正常浅海相碎屑岩；南天山海槽中，下泥盆统为滨海—浅海相陆源碎屑岩，中泥盆统为正常浅海相碎屑岩与碳酸盐岩，上泥盆统转为滨海—浅海相沉积。石炭系在天山分布广泛，岩性复杂，厚度巨大，南北两个海槽岩相很不相同。北天山石炭纪早期海底火山活动频繁，多为海相火山岩—火山碎屑岩，晚期才转为浅海碎屑岩，沉积厚度达7000—10000米；南天山多为滨海—浅海相碳酸岩夹碎屑岩，海域环境比较稳定，沉积厚度为1000—7000米。天山地区早二叠纪的显著特点是海相堆积范围缩小，陆相堆积地域扩大，火山岩分布增多；上二叠统全部为陆相碎屑岩沉积，结束了海槽的生命。
古生代，天山地区的岩浆活动相当强烈，但南、北天山明显不同。北天山岩浆活动十分强烈，从超基性岩到酸性岩都有出露，火山喷发十分频繁，从奥陶纪开始到古生代末都有火山活动，火山岩在晚古生代地层中所占比例很大，花岗岩类岩石经同位素年龄测定为250Ma—340Ma；南天山岩浆活动较弱，主要为酸性岩浆侵入，可分两期：早期为灰色黑云母花岗岩，晚期为肉红色黑云母花岗岩，花岗岩类都属于华力西期形成，火山活动更微弱。北天山的岩浆活动从加里东晚期到华力西期越来越强烈，为多期次的侵入和喷发；南天山则仅有少量华力西期的酸性岩浆侵入。
二叠纪晚期褶皱隆起的天山褶皱带由一系列复背斜和复向斜所组成，在地貌上形成崇山峻岭，其相对高度在2000米左右。天山南侧原属塔里木地块的柯坪塔格和库鲁克塔格也被褶皱抬升并从塔里木地台分离出来，加入了天山山体的行列。它们共同构成山地剥蚀区。
中生代的印支运动和燕山运动在天山地区是存在的，但其活动强度较弱，尤其是前者仅在局部地区有所显示，后者相对较强。这些运动主要形成了山系边缘的山间凹陷。从中生代初直至早第三纪末，天山山体的演化在内外营力的相互作用过程中，以外营力占主导地位。在这段时期内，所有隆起的天山古生界山地一直遭受剥蚀，两侧山前凹陷与山间断陷不断接受沉积而被基本填平，褶皱隆起的整个古天山被剥蚀夷平成为准平原，形成一个起伏和缓、高差不大的地面。
早第三纪末—晚第三纪初的古天山准平原大体上由3种不同性质的地面组成：
第一种是古生界被夷平的地面，即由古生代及以前更老的地层构成的褶皱山地，历经了中生代和早第三纪漫长的剥蚀—夷平的多旋回过程，这部分地面最为广泛。
第二种是中生界被夷平的地面。这种地面与第一种地面只在早第三纪期间有过共同经历。换言之，两种被夷平的地面形成的时代上限是很不相同的，但下限时代是一致的，都统一在准平原内。
第三种是下第三系堆积地面，它们的范围较小，只在早期准平原外缘占有一定面积，但也统一在准平原之中。在古天山被剥蚀—夷平的过程中，在山麓地带的山前凹陷，沉积了巨厚的中生代和早第三纪地层。天山山系中的众多纵向山间盆地，如吐鲁番—哈密盆地、巴里坤盆地、焉耆盆地、大小尤尔都斯盆地和伊犁盆地等，也接受了厚度较大的中生代和早第三纪地层。这些地层在燕山运动和喜马拉雅运动中也曾先后发生过褶皱，但其强度相对较弱。[
进入晚第三纪，特别是从上新世以后，原先历经中生代、早第三纪的剥蚀与夷平作用所形成的准平原在极其剧烈的新构造运动中发生断块升降分异活动。断块隆升的准平原成为高度巨大的山地，在其两侧形成更新的山前凹陷带。在山体内部，即原先的山间断陷，进一步沉降为下陷盆地。这些负地形区普遍接受上第三系和第四系堆积。
上新世以来，新构造运动活动剧烈，主要是沿着活动的走向大断裂带发生断块升降差异运动，使统一的准平原位移、变形而解体。断块山地强烈隆升，断陷盆地不断下沉，整个天山地区形成山地与盆地对照性十分显著的形态；山体本身因断块隆升的差异性而出现若干不同海拔的梯级面，层状地貌相当明显。
对于现代天山的形成，继承性的纵向大断裂、尤其是古生界及更老地层构成的主体山地两侧大断裂带控制着山体的基本形态。例如：天山北麓的准噶尔盆地南缘大断裂和山地南麓的塔里木盆地北缘大断裂以及山系本身若干纵向大断裂在上新世以来的活动，使天山准平原发生断块隆起，形成天山南北坡的梯级地貌。这在整个天山地区都有清晰的显示。这种断块运动使北天山东段形成近东西向的地垒式隆升山地。山地夷平面沿纵向断裂带分3个梯级降落：最高一级山地夷平面在海拔4000米以，上，为现代冰川所占据的高山地带，其中哈尔里克山的山顶夷平面相当平坦，其上至今分布着典型的平顶冰川；次一级山地梯级面的海拔为3000—3200米，即亚高山和中山带的山顶面，一般呈环状分布在高山带的周围；最低一级山地梯级面的海拔为1800—2200米，为低山带的山顶面。在天山其他地段，山地梯级面同样广泛分布，一般也表现为3级，惟海拔较东部为高。例如：在汗腾格里山汇地区，最高一级古生界构成的高山带山顶面海拔近5000米；第二梯级古生界构成的山顶面海拔上升到3400—3600米；最低一级主要为中、新生界构成的低山丘陵带。这种向下倾斜的山顶面上限海拔超过2200米。
在天山山脉内部的断陷盆地周边山地上，如伊犁盆地与昭苏盆地间的乌孙山、喀什河谷与巩乃斯河谷间的河吾拉勒山、巩乃斯河谷与大尤尔都斯盆地间的那拉提山，最常见而又保存很好的山地夷平面（即山顶面）海拔多为3000—3200米。焉耆盆地四周的山地夷平面高度变化很大，盆地西北与小尤尔都斯盆地间的艾尔宾山一带海拔为4000—4200米，盆地东南即克孜勒塔格与库鲁克塔格西段山地，后者降到海拔2600—2700米，前者降到海拔2000—2200米。其他地段的山顶面已遭破坏，山脊线的海拔高低不一，但同样能够反映出夷平面的残体。
天山古生界主体山地的外侧，即前述的山前凹陷地带，在中生代接受沉积并在燕山运动作用下被褶皱后，在其外侧原先堆积了下第三系的区域又发生山前凹陷，接受了上第三系和第四系堆积。在天山山系内部，中生代的大型断陷中，其后同样不同程度地接受了第三系与第四系。
天山地区的断块隆升完全是晚第三纪以来、尤其是上新世和早更新世的新构造运动剧烈活动的结果。这种运动使已被剥蚀夷平而高度仅>1000米的天山山体发生大幅度的断块隆升，隆起幅度达3000米或更高。山麓地带的沉降幅度从上第三系与第四系堆积物的厚度来看，达7000—8000米。
山麓带的中、新生界受多次构造活动，特别是第四纪早更新世末的构造运动的影响，在主体山地断块隆升的同时，发生了强烈的褶皱。这种褶皱在天山南北麓和大型盆地边缘都有清晰的反映。
天山北麓的WLMQ山前凹陷西起JH县，东至木垒县，东西长达600千米，南北宽约60千米，是中、新生代叠加的凹陷带，沉积了厚度达13000米的中、新生界。在这个凹陷中，新构造运动所产生的褶皱在地表形成东西向展布的3排褶皱带，各自成为低山丘陵，自南向北地势渐次降低，海拔从1800米下降到700米，褶皱构造的地层也由老变新。这个呈东西向带状分布的低山丘陵的顶面构成天山北坡最低的一级地貌梯级。
天山南麓的库车凹陷与喀什北部凹陷同样具有类似于天山北麓的褶皱构造带。库车山前凹陷东西长600千米以上，南北最宽约70千米，中、新生代以来堆积了厚度万米以上的沉积地层，凹陷中新构造运动所产生的褶皱构造自北向南呈阶梯状下降，可以分出4排褶皱，构成的地层依次由老变新。喀什北部凹陷在地表也有3排背斜构造。天山南麓新构造运动所产生的这种地貌构成南坡最低的一级地貌梯级。
从上简述看出，天山山脉在漫长的地质发展历史中，主要经历了3个大的发展阶段，对于现代天山的形成来说，上新世和更新世的新构造运动起了决定性的作用，不仅将已被剥蚀—夷平的古天山抬升到巨大的高度，而且使山麓凹陷发生褶皱抬升，从而扩大了天山山体的范围。
天山的平均海拔为4000米，众多山峰在海拔5000米以上，最高峰托木尔峰达海拔为7443米。天山与南面的塔里木盆地、北面的准噶尔盆地的高差达3000—3500米，地势反差很大，整个山系显得非常宏伟壮观。
天山山地现代地貌过程从山顶到山麓，依次为：
常年积雪和现代冰川作用带。位于海拔3800—4200米以上的冰雪覆盖的极高山带。据统计，天山拥有现代冰川近7000条，面积达1万平方千米。
霜冻作用带。位于海拔2600—2700米以上的山区，堆积了大量古代冰川沉积物，并保留了多种冰川侵蚀地形——古冰斗、冰槽谷、冰坎等。负温期长达半年，仅于盛夏解冻。
流水侵蚀、堆积带。位于海拔1500—2700米（或2800米），河网密布，河谷阶地发育。
干旱剥蚀低山带。位于海拔1300—1500米以下，年降水量200—400毫米，南坡位于海拔1700—2000米以下，年降水量100—150毫米，外营力以干燥剥蚀作用为主，南坡尤盛。
天山山脉内有众多的山间盆地，面积较大的，自西向东有伊犁盆地、昭苏盆地、巩乃斯谷地、大小尤尔都斯盆地、焉耆盆地、库米什盆地、吐鲁番盆地、哈密盆地等。北天山内部还有赛里木湖盆地、艾比湖低地、达坂城盆地、巴里坤盆地等。出现在南天山内部的盆地有拜城盆地、乌什谷地及哈拉峻小盆地等。这些盆地或谷地的轮廓大多呈菱形或呈条带状，其长轴方向多与两侧构造展布和紧邻的山脊走向大体一致。
天山山间盆地按海拔分为高位、中位、低位3种盆地。高位盆地的海拔在2000米以上，如赛里木湖盆地、昭苏盆地及大、小尤尔都斯盆地。中位盆地的海拔一般在1000—1600米，如焉耆盆地、巴里坤盆地等。低位盆地海拔在1000米以下或海拔低于邻近山麓，如吐鲁番盆地、哈密盆地、艾比湖低地等。吐鲁番盆地最低处的艾丁湖海拔为－155米，是中国陆地上最低的地方，也是世界上仅次于死海低地的第二低地。吐鲁番盆地海平面以下的面积为4050平方千米。
天山山麓扇形地或山前倾斜平原主要分布在天山山地南北山麓地带，由众多的大小河流出山谷后堆积的扇形体连接而成。这些地段大多为绿洲之所在，多开辟为农田，成为人类长期繁衍生息的场所。天山北麓的绿洲现已自西向东连成狭长的带状大面积绿洲带，天山南缘自西向东的大绿洲有喀什绿洲、阿克苏绿洲、库车绿洲、轮台绿洲及库尔勒绿洲等。
天山山脉属中纬度大陆性极强的内陆干旱气候区[15]。天山山脉是全球唯一由巨大沙漠夹持的大型山脉，以深居内陆的地理区位、温带大陆性干旱气候、山盆相间的地貌格局、众多的冰川河流、绝妙的自然景色、特殊的生物区系和生态过程等诸多自然特征，成为全球温带干旱区大型山地生态系统的最典型代表。XJ天山拥有全球温带干旱区最为典型完整的山地垂直自然带谱，反映了温带干旱区山地生物多样性和生物生态过程受海拔、坡向与坡度的水热空间变化影响的分布特征和变化规律。
天山山地气候年中明显分成冷、暖两季。冷季天气多晴朗，3000米以下的山地、盆地和谷地积雪深厚，且多雾霜。暖季（夏季）海拔3000米以上多雨雪。3000米以下气候凉爽。
在天山山地，特别在天山西段，冬季往往形成明显的逆温层结。逆温产生于10月，消失于翌年4月。以1月份的层结为最大，达3000米左右。
天山地区降水分布很不均匀，差别很大，最大降水地段与最少降水地段年降水量之差达10多倍。降水分布的一般特点是：西部多于东部，北坡多于南坡；西段内部多于外缘，森林带多于低处。
天山地区的降水形态随高度和季节的不同而变化。高山带终年为固态降水，因此高山地带普遍分布现代冰川和永久积雪。据统计，中国天山地区共有现代冰川6896条，面积为9548.45平方千米，冰川储水量约为3600x108立方米。这种“高山固体水库”成为河流的稳定补给水源，每年夏季冰雪融化补给河流。冰川融水在河流水量补给中所占的比重，各个地段相差甚大。一般情况下，山地南坡河流冰川融水补给所占比重较大，北坡河流所占比重较小。例如：南坡木扎尔特河的冰川融水占河流水量的70%以上，北坡玛纳斯河冰川融水占河流径流量的35%左右，博格达山北坡河流水量中冰川融水所占比重都在10%以下。很明显，天山山地中海拔高、冰川面积大的地区冰川融水补给河水所占比重就大，反之冰川融水所占比重则小。降水多的地区，如伊犁河流域，冰川融水所占的比重也较小，仅为14%左右。天山的中、低山地带冬半年降雪（即季节性积雪，可形成春汛，有利于农作），夏半年降雨。降雨对河流的补给以天山西部伊犁地区和天山北坡为最多，降水补给占河流径流量的比重也最大，一般为50—80%。
季节性（即冬春季）积雪主要出现在天山北坡及其他山段的高山地区。天山北坡冬半年降雪很多，占全年降水量的30%左右，常形成厚度达数十厘米的稳定雪层，山麓带尤其如此。每年3、4月份，随着气温的升高，积雪从低处向高处逐渐融化，形成所谓的“小春汛”，对农田起着春灌的作用。山麓平原区的积雪层不仅可以保护冬麦不致冻死，而且对春天小麦返青起到极好的滋润作用。
天山地区的降水比较丰富，除高山带以上终年降雪外，其他中低山带夏季均为降雨。降雨在天山河流补给中占有重要地位，一般占河川年径流量的50%以上，许多河流达70—80%。地处干旱区中的天山湿岛，其降水量一般在400—600毫米之间，不少地段超过800毫米，使天山某些地段具有半湿润地区的特点。所以，天山地区比较丰富的降水对河流的水量影响很大，降水量的多寡直接影响着绿洲区农业的丰歉。
天山山脉主要河流有楚河、锡尔河、伊犁河等。
楚河位于吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦境内的河流。古称碎叶水。源出泰尔斯凯山和吉尔吉斯山，是一条内流河。河流向东北流，经伊塞克湖盆地（在洪水期，其部分径流通过支流库捷马尔迪河排入伊塞克湖），后转向西北流，成为吉尔吉斯斯坦与哈萨克斯坦的界河，继续向西北流，在比什凯克西北50千米处进入哈萨克斯坦境内，继而横穿穆云库姆荒漠，最后汇入阿克扎伊肯湖。
楚河全长1067千米，流域面积6.25万平方千米，多年平均流量每秒61立方米，径流量19.2亿立方米。流域地理位置为东经67°26′—77°22′，北纬41°52′—45°。主要支流右岸有卡拉库朱尔河、琼克明河、厄尔盖蒂河、卡克帕塔斯河等，左岸有阿拉梅金河、阿克苏河、库拉加蒂河等。楚河为冰川雪水补给型，地下径流起重要的作用。最大径流量出现在7—8月。7月底至8月初，下游河道干涸，12月径流重新恢复。在下游，从12月至次年3月为结冰期。楚河上建有奥尔托托科伊科耶水库和3座拦河坝。
锡尔河发源于天山山脉，包括纳伦河与卡拉达里亚河两个源头。其中纳伦河为正源，发源于吉尔吉斯斯坦。两个源头在纳曼干附近汇合后向西流入费尔干纳谷地，在塔吉克斯坦苦盏出谷，流至别卡巴德后转而向西北，流经乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦，最后注入咸海。锡尔河全长2212千米，流域面积21.9万平方千米，河口多年平均流量500立方米/秒，年均径流量370亿立方米。锡尔河主要支流有阿汉加兰河、奇尔奇克河、克列斯河和阿雷西河。
伊犁河是中国水量最大的内陆河，也是XJ水量最丰富的河流。伊犁河主源特克斯河发源于汗腾格里峰北侧，由西向东流，在东经82°左右折向北流，穿过喀德明山脉，和巩乃斯河汇合，又折向西流，在伊宁和喀什河汇合，穿越国境，进入哈萨克斯坦，最终进入巴尔喀什湖。[9]
塔里木河
塔里木河长度如从叶尔羌河源算起，至台特玛湖，全长2137千米。其长度仅次于长江、黄河、黑龙江，居全国第四位。流域面积19.8万平方千米（狭义）。习惯上所说的塔里木河，系指阿克苏河、叶尔羌河及和田河交汇处至台特玛湖的河段，长约970千米。
塔里木河的水源来自天山山脉、昆仑山脉等高山冰雪融水和降水混合补给，径流的年际变化较小，但年内变化很大，夏季（6—8月）高度集中。由于夏季河水流星急剧增长，加之河道含沙量大，冲淤变化频繁，致河流经常改道，南北摆动，迁徙无定，在中游地区造成南北宽100千米左右的冲积平原，河道曲折，汉流众多，芦苇水草丛生，加上河流两岸胡杨林浓荫蔽日，形成天然绿色长廊，沃野千里。历史上，主流河道最后一次在1921年东流入孔雀河注入罗布泊。1952年在WL县附近筑坝，同孔雀河分离，河水复经铁干里克故道流向台特玛湖。
塔里木河是发源于塔里木盆地周围山地，向盆地内部流动的内陆河流，构成向心水系。其主要支流有叶尔羌河、和田河、阿克苏河、克孜河、盖孜河、克里雅河、开都河、渭干河等。
叶尔羌河是塔里木河最长的支流，发源于喀喇昆仑山脉海拔7464米的特力木坎力峰东南麓的特拉木坎力冰川，自西南向东北流入塔里木河。叶尔羌河全长1289千米，山口以上集水面积5.02万平方千米。在山区水量丰富，出山后穿过漫长的沙漠，因耗于灌溉、渗漏及蒸发，水量损失很大，故其下游枯水期河床干涸，只有洪水期才有余水泄入塔里木河，年均向塔里木河输水2.7亿立方米。
和田河源自昆仑山西段的喀拉喀什河和玉龙喀什河，两河于塔克拉玛干沙漠汇合后始称和田河，和田河再自南向北横穿沙漠后入塔里木河。和田河全长1127千米，喀拉喀什河和玉龙喀什河集水面积分别为1.99万平方千米、1.46万平方千米。和田河下游为沙质河床，渗漏强，故洪水期才有余水流入塔里木河，年均向塔里木河输水10.5亿立方米。
阿克苏河有昆马力克河及托什干河两个河源，均出自吉尔吉斯斯坦境内的天山山脉，两河汇合后称阿克苏河。阿克苏河自西北流向东南，注入塔里木河。全长530千米，流域面积3.6万平方千米。阿克苏河有高山冰川融水的补给，水量丰富，不穿过沙漠地区，且距干流较近，因而成为塔里木河的主要水源，平均流量195立方米/秒，年均向塔里木河输水36.5亿立方米。
天山地区的湖泊并不多，较大的湖泊有博斯腾湖、艾比湖、赛里木湖、巴里坤湖、柴窝堡湖、艾丁湖、达坂城盐湖等。
这些湖泊除博斯腾湖水能灌溉农田外，其他均为咸湖或微咸湖。
天山山脉南麓和北麓的植被分布不同，北坡由山脚至山顶植被依次为山地草原，山地草甸草原，针叶林，高山草原，高山垫状植被，积雪冰川；南坡由山脚至山顶依次为：荒漠、荒漠草原、干旱山地草原、山地草原、剥蚀高山、积雪冰川。
天山地区的灾害主要为地质灾害和气象灾害，前者包括地震、泥石流、崩塌与滑坡，后者主要有干旱、大风、雪害、冻害、暴雨洪水等。这些都是自然灾害。土地盐碱化与沙漠化是自然与人为活动共同作用的产物。天山山系由三列山脉组成，由北往南，分别称为北天山、中天山和南天山。其中，北天山有阿拉套山、婆罗科努山和依连哈比尔尕山，中天山有乌孙山、那拉提山和额尔宾山，南天山有科克沙勒山、哈尔克他乌山、科克铁克山和霍拉山。另外，东天山有博格达山、巴里坤山和喀尔力克山等。“北天山”“中天山”“南天山”各自又包括若干条山地及山间盆地。
天山山脉包括主体山地、山间盆地、前山带及山前倾斜平原等部分，总面积为57×104平方千米。其中山地面积为近32×104平方千米，山间盆地为9.1×104平方千米，山前倾斜平原为16×104平方千米，分别占天山山脉总面积的56.1%、15.9%和28.0%。
北天山东西长约1300千米，以WLMQ—吐鲁番一线为界分为东段和西段。西段走向为北西西到南东东，从西向东主要有阿拉套山、别珍套山、科古琴山、博罗克努山、依连哈比尔尕山、天格尔山等，山地平均海拔约为4000米，最高山段为博罗克努山到依连哈比尔尕山，其中海拔5000米以上的山峰有2座，最高峰达5289米；东段的整体走向为北西西—东西—南东东，从西向东主要有博格达山、巴里坤山、哈尔里克山和梅欣乌拉山，山地平均海拔约为3500米，不少山峰超出海拔4000米，最高的博格达峰海拔为5445米，附近还有3座山峰超过5000米。
中天山长约800千米，山脊走向近乎东西，山势时起时伏。自西向东主要有乌孙山、比奇克山、那拉提山、艾尔宾山、包尔图乌拉山、觉洛塔格山。山地海拔约为3000米；最高峰位于艾尔宾山，海拔达4835米。
南天山西起克孜勒苏河源，东到博斯腾湖，全长1100千米。在汗腾格里山以西，称“天山南脉”，走向近于北东，包括最西的阿赖山，向东为科克同套、麦丹塔乌山、阔克沙勒山。在汗腾格里山以东，从西向东依次为哈尔克他乌山、科克铁克山、霍拉山、库鲁克塔格山，山文走向由北东东转向南东东。南天山汗腾格里山结最为高峻，一般海拔在5000米以上，主峰托木尔峰达7435.3米，是天山的最高峰。位于托木尔峰正北的汗腾格里峰为天山的第二高峰，海拔为6995米。山结区还有6000米以上高峰40座。从汗腾格里山向西或向东，山势有所降低，平均海拔多维持在4000米左右，不少山峰在5000米以上。库尔勒以东的库鲁克塔格山走向近乎东西，山势较低，部分山峰在海拔3000米左右，大部分地段的海拔下降到2000米以下，为低山冈丘。
博格达峰，海拔5445米，位于东经88.3°，北纬43.8°，坐落在XJ维吾尔自治区FK市境内，是天山山脉东段的著名高峰。山峰3800米以上是终年不化的积雪区，白雪皑皑，故有“雪海”之称。
托木尔峰位于阿克苏地区WS县境内的中国与吉尔吉斯斯坦国境线附近，属天山山脉中天山区，是山系横亘XJ2500多千米的天山山脉的最高峰，海拔7443.8米，也是吉尔吉斯斯坦的最高峰。
“托木尔”，维吾尔语意为“铁”。其主峰及周围共10万公顷山地于1980年被列为自治区级自然保护区，主要保护高山冰川及下部森林，生物群落及生态环境。托木尔峰为天山第一峰，被列为国家综合自然保护区。
除壮观的冰川奇景外，托木尔峰地区还有许多温泉。位于北木扎尔特河谷东侧的阿拉善温泉，便是其中之一，已成为XJ著名的疗养区。阿拉善的泉水呈季节变化，冬春基本干涸，6—8月，泉水量最大。温泉水中含有微量的硫化物和苏打等矿物质，对很多疾病有一定疗效。
汗腾格里峰位于东经80.2°，北纬42.2°，中华人民共和国和哈萨克斯坦国界线上。它是天山山脉的第二高峰，在天山山脉中科克沙勒岭与哈尔克山的结合部位，海拔6995米。东邻托木尔峰，西邻吉尔吉斯斯坦境内伊塞克湖盆地，北邻伊犁河谷地，南邻塔里木盆地北缘的阿克苏绿洲。汗腾格里峰一带地势高峻，山岭海拔多在4000米以上，6000米以上的高峰多达40座，山地大面积突出于雪线之上。
天格尔峰北侧有天山WLMQ河源1号冰川，位于WLMQ南山地区天山中段喀拉乌成山，距WLMQ118千米。该冰川形成于第三冰川纪，距今已有400万年历史。冰川形状为双支冰山冰川，冰川上限海拔高度为4474米，冰舌末端，海拔高度3790米，冰川长度为200米，面积1.74平方千米。
天山地区的自然资源，无论是地表资源还是地下资源都比较丰富。高山带白雪皑皑，冰川满布；山区草场广阔，为畜牧业的生产基地；山间盆地、山麓地带及河流沿岸土地肥沃，水源充足，气候温和，宜于种植业发展。天山地区矿产资源众多，煤、石油、铁等储量丰富。
天山地区的水资源比较丰富，包括高山冰川、降水、河川径流、湖泊与水库以及季节性积雪等。
中国天山高山地区普遍发育现代冰川，冰舌末端海拔多在3300—3500米，共有现代冰川6896条，面积为9548.45平方千米，约占中国冰川总面积的16.92%，冰川储水量约有3600X108立方米。天山冰川的分布，西段多于东段，北坡多于南坡。天山山脉雪线的海拔西段低，东段高，北坡低，南坡高。西段别珍套山北坡雪线海拔为3600米左右，东段博格达山北坡海拔为3860米，最东段的哈尔里克山北坡为3900—3950米。天格尔山北坡WLMQ河源一号冰川20年的平均雪线海拔为4050米，该山南坡的雪线海拔在4300米以上。托木尔—汗腾格里山结南坡雪线海拔为4500米。托木尔—汗腾格里山是天山山系最高山段，海拔超过6000米的山峰达20多座。这里是天山冰川分布最集中的地区，冰川面积达2800平方千米以上，占中国天山冰川总面积的29%，最长的汗腾格里复式山谷冰川长约60千米。天山最大河流伊犁河最长支流特克斯河、塔里木河主源阿克苏河都发源于这里。天山冰川都是各河的源头，起着高山“固体水库“的作用，是河流的稳定补给来源。
天山地区、尤其是南北麓建有众多水库，全部是新中国成立以来为农业灌溉而修建的。仅天山北麓已建成的大中小型水库达200座，以平原水库为主，主要拦蓄洪水和秋冬季剩余水。这些水库除灌溉农田外，发电、养鱼等综合开发者也不少。
天山山脉拥有辽阔的范围，山地起伏悬殊，土地面积很广，山区土地利用的分层结构非常明显。年降水量不到400毫米的低山带，上部为良好的干草原（如伊犁地区的巩乃斯草原），下部则为荒漠草原。年降水量400—600毫米的天山北坡中山带，形成稠密茂盛的森林带，为XJ木材的主要来源，占据着海拔1700—2800米的垂直空间。高山与亚高山带为高山草甸草原，为良好的夏季牧场。天山内部高寒的大小尤尔都斯盆地海拔著名的巴音布鲁克草原和赛木里湖盆地西部的海西草原等都是天山良好的牧场。
山区种植业的上限，天山北坡海拔为1500—1700米，南坡海拔为2000—2200米。天山北坡及伊犁盆地边缘低山带年降水量在400毫米左右的地区发展有一部分旱地农业。
天山南北山麓倾斜平原是主要绿洲区，土地肥沃，水源较为充足，交通便利，灌溉农业发达，大型绿洲区及其城市都集中在这里，发展工业的条件较好。
天山地区有巴音布鲁克草原、巩乃斯草原、赛里木湖海西草原、巴里坤草原以及广大山地草原。
天山的山地草原从高山到山麓分为高山荒漠草原、亚高山草甸草原、森林草原、中低山干草原—半荒漠草原、山麓荒漠草原等。高山荒漠草原的牧草生长期很短，利用价值很低，为盛夏短期牧场。山麓荒漠草原比较缺水，利用价值也低。山地草原垂直分布范围大，牧草优良，生长茂密，产量稳定，可发展多种牧畜。天山南北坡山地草原的分布高度具有一定差别，南坡主要在海拔2400—3800米之间且垂直高差达1400米，北坡主要在1300—3300米之间且垂直高差2000米，其间森林草原以森林为主。
天山山脉的中山带、尤其在山地北坡广泛分布原始森林，几乎全部是针叶林，除北天山东段的巴里坤山和哈尔里克山森林带上部为西伯利亚落叶松林外，其他均为雪岭云杉纯林。森林带的分布高度，天山北坡为1500—2800米且垂直带高差达1300米左右，天山南坡为2300—3000米且垂直高差仅700米，且多为片状森林，并不构成完整的林带。天山北坡有些地段针叶林下部还有杨树林或者柏树林与云杉的混交林。天山西部的新源和霍城一带，山地中还有大片野苹果林，GL县南面的那拉提山北坡还有成片的野核桃林。天山南北河流谷地中生长荒漠河谷林，主要树种为胡杨、灰杨、柳、榆、沙枣及沙棘、柽柳、梭梭等乔灌木。人工林主要分布在居民点附近，主要为农田保护林带以及果树林等。
天山地区药用植物不少，主要有生长在高山带的稀有植物雪莲，中低山带分布着贝母、麻黄、党参、紫草、甘草等。伊犁河谷、天山北坡是XJ主要药材的生产基地，麻黄主要分布在天山南坡，甘草集中分布在塔里木河及其支流两岸。
天山地区野生动物种类繁多，主要分布在山地森林草原地带和平原荒漠河谷林区。珍稀动物列入重点保护的有巴音布鲁克的天鹅、霍城的四爪陆龟以及赛加羚羊和野驴，其他受保护的还有马鹿、紫貂、盘羊、雪鸡、雪豹、猞猁等。
天山地区已有多处被列入自然保护区，如天池自然景观保护区、巴音布鲁克天鹅保护区、托木尔峰保护区等。天池保护区的珍稀动物有雪豹、马鹿、猞猁、北山羊、石貂、三趾啄木鸟等。巴音布鲁克保护区主要保护对象是大天鹅、小天鹅和疣鼻天鹅等。托木尔峰保护区主要保护动物有雪豹、雪鸡、马鹿等。有的动物已经开始人工驯化，在天山地区已有多处驯养鹿群。
另外，在伊犁河塔里木河和博斯腾湖及一些水库还有不少水生生物。XJ有鱼类50多种，有些是名贵品种，如鲟鳇鱼、青黄鱼、河鲈、塔里木裂腹鱼等。
第三次XJ综合科学考察期间，在额尔齐斯河流域，科考队员发现了特有钩虾新物种，通过与全球3180个钩虾遗传和分布数据对比分析，证明天山及其周边地区是世界冷水性生物的起源地之一。
XJ境内矿产资源丰富，矿种比较齐全，储藏量大，已发现矿产120多种，占中国已发现矿种的81.3%。探明储量居中国首位的有铍、白云母、钠硝石、长石、陶土、蛇纹石和膨润土；居中国第3位的有铯、熔剂白云岩和铸石辉绿岩；居中国第4位的有天然气、石棉、自然硫、铬、锂；居中国第5位的有石油、煤；居中国第6—10位的有油页岩铋、芒硝、钽、锰、镍、砖瓦粘土、水泥用页岩、盐、铌和钛等。这些矿产资源在天山地区多有分布，而且有的储量很大。
天山地区的煤炭资源分布广、储量大、质量好，主要产于早、中侏罗纪地层中。天山南北麓山前凹陷和山间盆地中都有煤炭分布，最大的有WLMQ煤田、哈密三道岭煤田、伊犁盆地煤田等。天山北麓煤炭资源分布最广，东起吉木萨尔，西至乌苏以西，东西长达数百千米都有分布，煤层多，单层厚度大且稳定，煤质好，适于炼焦。WLMQ煤田的可采煤有30多层，煤层厚达160米，有些地方每平方千米面积内储量达1000×104吨。哈密盆地北缘已查明的煤炭储量达几十亿吨，大多是可炼焦的优质煤。
天山以天池为中心，以完整的4个垂直自然景观带和雪山冰川、高山湖泊为主要特征，以远古瑶池西王母神话以及宗教和独特的民族民俗风情为文化内涵，融森林、草原、雪山、人文景观为一体，风光别具一格。
西王母祖庙位于天山天池东岸，博格达峰西北方向，海拔2000米左右，是XJ最古老海拔最高的道观之一。传说王母娘娘就是在此修道成仙的，故称之为西王母祖庙。
距今四千年发达的史前文化，月氏、乌孙等早期游牧民族活动的遗迹，以及古老的游牧文化和农业文化不断地交流、融合、发展和演变，都在东天山文化的版图中。
哈密是东天山的一个标志，南边是以哈密盆地为中心的沙漠、戈壁和绿洲。北边，有巴里坤、伊吾草原，不同的自然环境，使哈密既有草原文化，又有绿洲文化，还有农耕文化，加上它是XJ乃至中国与中亚地区的交通要道，多民族、多样文化在这里汇聚，使东天山在哈密表现出了多民族、多样文化的特征。
据《穆天子传》记载，3000年前的周穆王曾乘坐“八骏马车”西行天山，西王母在天池接见了他。穆王赠送大批锦绸美绢等中原特产，西王母则回赠了天山的奇珍瑰宝，并邀请穆王游览天山名胜。穆王亲书“西王母之山”，留作纪念。临别时，西王母劝饮再三，即席歌曰：“祝君长寿，愿君再来。”
XJ托木尔峰国家级自然保护区位于XJ维吾尔自治区阿克苏地区WS县境内，地理坐标为东经79°50'—80°54'，北纬41°40'—42°04'，属森林生态系统类型自然保护区。保护区东西长105千米，南北宽28千米，总面积23.76万公顷。