亞洲內陸中部的著名山系，世界乾旱區域的多雨山地之一。在中國境內，緯向橫亙於新疆維吾爾自治區中部，東起東經96°10′的哈密縣東，西到東經74°50′的烏恰縣西北。東西長約1760公裡。南北跨越5個緯度（北緯40°31′～45°23′），寬250～350公裡，面積約41萬平方公裡。山地聳立於準噶爾與塔裡木盆地之間，海拔多在4000米以上。位於西段的托木爾峰是天山山脈的最高峰，海拔7435.3米；東段的高峰是柏格達峰，海拔5445米。
地質與自然地理分帶 在地質歷史上，天山地槽形成於震旦紀晚期。經加裡東運動，特別是華力西運動，地槽發生全面性回返，褶皺隆起形成古天山山地。構成山地的主要巖石是古生代變質巖和火山碎屑巖及華力西期的侵入巖等。中生代至早第三紀末，古天山被剝蝕夷平成為準平原。晚第三紀，特別是上新世以後，準平原發生斷塊抬升，形成多級山地夷平面。後經冰川與流水交替作用，成為現代天山。是中國重要的地震帶區。自1600～1979年，新疆500多次4.6級以上地震，有50％以上發生在這一地區。
山脈由一系列大致平行的北天山、中天山和南天山所組成，山體之間夾有許多寬谷與盆地。
天山山地現代地貌過程從山頂到山麓，依次為：①常年積雪和現代冰川作用帶。位於海拔3800～4200米以上的冰雪覆蓋的極高山帶。據統計，天山擁有現代冰川近7000條，面積達1萬平方公裡。②霜凍作用帶。位於海拔2600～2700米以上的山區，堆積瞭大量古代冰川沉積物，並保留瞭多種冰川侵蝕地形──古冰鬥、冰槽谷、冰坎等。負溫期長達半年，僅於盛夏解凍。③流水侵蝕、堆積帶。位於海拔1500～2700米(或2800米)，河網密佈，河谷階地發育。④幹旱剝蝕低山帶。位於海拔1300～1500米以下，年降水量200～400毫米，南坡位於海拔1700～2000米以下，年降水量100～150毫米，外營力以幹燥剝蝕作用為主，南坡尤盛。
氣候與水文 山地氣候年中明顯分成冷、暖兩季。冷季天氣多晴朗，3000米以下的山地、盆地和谷地積雪深厚，且多霧霜。暖季（夏季）海拔3000米以上多雨雪。3000米以下氣候涼爽。各地濕度差別受高程控制。
在天山山地，特別在天山西段，冬季往往形成明顯的逆溫層結。逆溫產生於10月，消失於翌年4月。以1月份的層結為最大，達3000米左右。
天山山地的年降水量，同一山坡自西到東，逐漸減少；山地迎風坡（北坡）多於背風坡（南坡）；山地內部盆地或谷地少於外圍山地。位於天山內部的巴音佈魯克海拔2438米，年降水量僅2762毫米，比同高度的山地少。但地勢寬坦，河曲發育，降水集中夏半年，湖沼星羅棋佈，水草肥美，成為中國著名草原之一，並且是天山山地唯一有天鵝生棲的地方，現已劃為新疆的自然保護區（見尤勒都斯盆地）。
天山北坡的年均降水量多在500毫米以上，是中國幹旱區中的濕島。其中以西段的中山森林帶最多，竟達1139.7毫米（1970年記錄）。海拔接近海平面的托克遜年降水量最少，隻有6.9毫米。降水季節變化很大，最大降水集中在5、6兩月，以2月份最少。
天山山地的最大降水帶隨季節上下遷移。冬季最大降水帶在海拔1500～2000米，夏初開始向上遷移，到7、8月份升到海拔5000米的極高山帶。此後，又開始回返。至10月份回到冬季原來位置。山地暴雨歷時短暫，但強度很大。積雪分佈與降水相同。
天山山地為新疆不少大河的源頭，如伊犁河與塔裡木河等。在不到20萬平方公裡的山地徑流形成區內，有大小河川200多條，年總徑流量為436億立方米，占新疆河川徑流總量的52％。引水灌溉遍及新疆57市、縣的綠洲農田。按各河出山口以上的集水面積計，年平均徑流深271毫米。河流年徑流變差系數一般為0.1～0.2，變化相對穩定。年徑流變差系數為中國最小地區之一。
天山果子溝盤山公路
經濟概況 天山山地氣候濕潤，水源充足。山地中森林面積約占全疆的50％，草場面積約占全疆的47％。此外，天山礦產種類繁多，新疆的工礦區亦多分佈於天山南北。天山山地已建成獨（山子）—庫（車）公路、伊（寧）—若（羌）公路、烏魯木齊—巴侖臺—庫爾勒公路。