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。
天山山地的年降水量，同一山坡自西到东，逐渐减少；山地迎风坡（北坡）多于背风坡（南坡）；山地内部盆地或谷地少于外围山地。位于天山内部的巴音布鲁克海拔2438米，年降水量仅2762毫米，比同高度的山地少。天山北坡的年均降水量多在500毫米以上，是中国干旱区中的湿岛。其中以西段的中山森林带最多，竞达1139.7毫米（1970年记录）。海拔接近海平面的托克逊年降水量最少，只有6.9毫米。降水季节变化很大，最大降水集中在5、6两月，以2月份最少。
天山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，高山垫状植物，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。
天山山系由3列山脉组成，由北往南分别称为北天山、中天山和南天山。
天山山体由山地、山间盆地和山前平原三部分组成。
从边境起，天山山脉由三列平行的褶皱山脉组成，山势西高东底，山体宽广。天山北脉有阿拉套山、科古琴山、婆罗科努山（博罗科努山）、博格达山等；天山中脉（主干）有阿拉喀尔山、那拉提山、艾尔温根山、霍拉山等；天山南脉有科克沙尔山、哈尔克山、贴尔斯克山、喀拉铁克山等。
北天山：自中哈边境起，西向东分别为阿拉套山、博罗科努山、阿吾拉勒山、依连哈比尔尕山、喀拉吾成山、博格达山、巴里坤山和喀尔里克山。
天山属于比较年轻的山系，形成距今约二三百万年前。距今约1200-200万年前。现今山脉的地貌特征则是新生代晚期地壳变动的产物。天山山脉形成以后的地质演化可以划分为石炭纪末至二叠纪初同碰撞-后碰撞构造岩浆活动阶段、二叠纪早-中期幔源岩浆活动与壳幔相互作用阶段和二叠纪晚期以来的陆内演化阶段。
天山山脉及毗邻地区的地壳可以划分为15个单元。大致以东经90°线为界，以西地区南侧的南天山碰撞带为向南凸出的弧形构造带，北侧的古陆碎块和其间的碰撞带呈北西走向斜列展布，构成巨型帚状构造；以东地区为相间排列的近东西走向的古活动陆缘或岛弧及其间的碰撞带。
天山山脉由三列大致平行的山岭组成，其中北天山有阿拉套山、婆罗科努山（博罗克努山）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，东天山有博格达山、巴里坤山和喀尔力克山等。
在天山山系中，海拔在5000米以上的山峰大约有数十座，除最高峰托木尔峰外，主要还有中哈界峰汗腾格里峰、博格达峰、瓦斯基配卡维里山、德拉斯克巴山、蒐雷孜山、史卡特尔东峰、孜哈巴间山等。
博格达峰，海拔5445米，位于东经88.3度，北纬43.8度，坐落在新疆维吾尔自治区阜康市境内，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温宿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。海拨7443.8米。“托木尔”，维吾尔语意为“铁”。托木尔峰为天山第一峰，被列为国家综合自然保护区。
汗腾格里峰位于东经80.2°，北纬42.2°华夏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乌鲁木齐河源1号冰川，位于乌鲁木齐南山地区天山中段喀拉乌成山，距乌鲁木齐118千米。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。
天池古称“瑶池”，地处天山博格达峰北侧，位于阜康市南偏东40余千米，距乌鲁木齐市110千米。“天池”一词来自乾隆四十八年乌鲁木齐都统明亮的题《灵山天池统凿水渠碑记》。