В Восточном Т.-Ш. четко выражены 2 полосы горных хребтов, разделённые широтно вытянутой полосой долин и котловин. Высоты основных хребтов 4000—5000 м; хребты северной полосы — Борохоро, Ирен-Хабырга, Богдо-Ула, Карлыктаг протягиваются до 95° в. д. Южного полоса короче (простирается до 90° в. д.); основные хребты Халыктау, Сармин-Ула, Куруктаг. У подножий Восточного Т.-Ш. расположены Турфанская впадина (глубина до — 154 м ), Хамийская впадина; в пределах южной полосы — межгорная впадина, заполненная озером Баграшкёль.
Для высокогорий характерны ледниковые формы рельефа (цирки, троги и др.); на склонах ущелий — многочисленные осыпи, по днищам долин — накопления моренных отложений. На высоте 3200—3400 м и выше почти повсеместно распространены многолетнемёрзлые горные породы; мощность мёрзлых грунтов редко превышает 20—30 м, но в Аксай-Чатыркёльской котловине — местами более 100 м. В пределах высокогорных впадин встречаются гидролакколиты, торфяные бугры, на склонах — процессы солифлюкции. В среднегорьях и низкогорьях повсеместны селевые конусы выноса. В пределах Терскей-Алатау, Атбаши и др. хребтов значительные площади занимают поверхности выравнивания, а у подножий многих хребтов протягиваются полосы предгорий (местные название — «прилавки», «адыры»), что обусловливает во многих районах хорошо выраженную ступенчатость поперечного профиля гор. Высокогорные впадины, относительно недавно освободившиеся от ледников и ещё слабо затронутые процессами эрозии, обычно имеют плоские или слабо всхолмлённые поверхности; значительные площади в них занимают озёра и болота. Впадины, расположенные ниже 2500 м, обычно включают хорошо разработанные речные долины с многочисленными террасами, в некоторых из них сохранились озёра (например, Иссык-Куль ). В отдельных котловинах встречаются участки мелкосопочника (особенно в Нарынской и на Ю.-З. Иссык-Кульской котловин); имеются проявления глинистого псевдокарста. У подножий хребтов характерны конусы выноса многочисленных речек, часто образующие непрерывные полосы — пролювиальные шельфы, протягивающиеся на десятки километров.
Геологическое строение и полезные ископаемые. Горные хребты Т.-Ш. сложены палеозойскими и допалеозойскими породами, а межгорные долины (впадины) выполнены кайнозойскими и, частично, мезозойскими отложениями. Географическое разделение современной горной системы, созданной в неоген-антропогеновое время, не совпадает с тектонической зональностью палеозойского складчатого сооружения. В пределах Т.-Ш. выделяют каледониды Северного Т.-Ш. и герциниды Срединного и Южного Т.-Ш. К каледонидам Северного Т.-Ш. относятся хребты: Киргизский, Таласский Алатау, Сусамырский, Заилийский Алатау, Кунгей-Алатау, Терскей-Алатау, Кетмень, Нарат, Борто-Ула; к герцинидам Срединного Т.-Ш. — Б. Каратау, Угамский, Пскемский, Чаткальский, Кураминский, Джетим, Джамантау и др.; к герцинидам Южного Т.-Ш. — Баубашатинский горный узел, хребты Кокшалтау, Майдантаг, Халыктау, Ферганский, Алайский, Туркестанский и Зеравшанский (последние три составляют горную систему Гиссаро-Алая ) и др.
Каледониды Северного Т.-Ш. граничат по разломам: на С. — с герцинскими структурами хребтов Джунгарского Алатау, Борохоро и Богдо-Ула (Богдошань), на Ю.-В. и Ю.-З. — с герцинидами Срединного Т.-Ш. В северо-западном направлении каледониды продолжаются в пределы Казахстана; структуры каледонид образуют дугу, выпуклую в южном направлении и параллельную границе с герцинидами Срединного Т.-Ш. На Ю.-З. вдоль этой границы протягивается миогеосинклинальная зона каледонид, а северо-восточнее располагается эвгеосинклинальная зона. Миогеосинклинальная зона сложена кристаллическими породами фундамента и осадочными образованиями позднего протерозоя и раннего палеозоя; в эвгеосинклинальной зоне распространены основные эффузивы и флишевые отложения раннего палеозоя. На всей территории Северного Т.-Ш. распространены обломочные и вулканогенные орогенные молассы ордовика, девона и карбона, гранитоиды раннего и среднего палеозоя.
Срединный Т.-Ш. был частью миогеосинклинальной зоны каледонид, в которой после накопления девонской молассы происходило формирование миогеосинклинальных отложений девона и карбона, а в позднем палеозое — образование герцинской складчатости. Гранитоиды Срединного Т.-Ш. имеют позднепротерозойский, средне- и позднепалеозойский возраст. В западной части зоны распространены кислые вулканогенные отложения позднего палеозоя. Герцинские структуры на большей части Срединного Т.-Ш. имеют северо-восточное направление. Срединный Т.-Ш. разделён Таласо-Ферганским разломом на две части, сдвинутые относительно друг друга.
Герциниды Южного Т.-Ш. отличаются широким развитием складчато-чешуйчатых и покровных структур, в строении которых принимают участие эвгеосинклинальные и миогеосинклинальные отложения: эвгеосинклинальные образования представлены основными вулканитами среднего палеозоя, ультрабазитами и габброидами; миогеосинклинальные — осадочными отложениями раннего и среднего палеозоя. Молассовые отложения и гранитоиды в Южного Т.-Ш. — позднепалеозойского возраста. Герцинские складчатые структуры в западной части Южного Т.-Ш. имеют широтное направление, в ферганском хребте — горизонтальное, восточнее — северо-восточное. На Ю. герциниды Т.-Ш. ограничены Таримским и Таджикским массивами древних пород, на месте которых в мезокайнозое сформированы одноимённые впадины.
Полезные ископаемые в палеозойских и допалеозойских породах Тянь-Шаня: ртуть (месторождение Хайдаркан и др.), сурьма (Кадамджай и др.), свинец, цинк, серебро, олово, вольфрам, мышьяк, золото, оптическое сырьё, фосфориты (Каратау), минеральные воды и др. В межгорных долинах в мезозойских и кайнозойских отложениях расположены месторождения нефти (в ферганской долине), бурого и каменного угля (Ангрен, Ленгер, Сулюкта, Кок-Янгак и др.).
Климат определяется положением Т.-Ш. внутри материка, в сравнительно низких широтах, среди сухих пустынных равнин. Основная часть гор лежит в умеренном поясе, но приферганские хребты (Юго-Западный Т.-Ш.) находятся на границе с субтропическим, испытывая влияние сухих субтропиков, особенно в нижних высотных поясах. В целом климат отличается резкой континентальностью, засушливостью, значительной продолжительностью солнечного сияния (2500—3000 ч/год ). На большей части Т.-Ш. (особенно в высокогорьях) преобладает западный перенос воздушных масс, на который накладывается местная горно-долинная циркуляция; в отдельных районах отмечаются сильные местные ветры (например, «улан» и «санташ» в Иссык-Кульской котловине). Большие высоты, сложность и расчленённость рельефа вызывают резкие контрасты в распределении тепла и влаги. В долинах нижнего пояса гор средняя температура июля 20—25 °С, в средневысотных долинах — 15—17 °С, у подножий ледников до 5 °С и ниже. Зимой в гляциально-нивальном поясе морозы достигают —30 °С. В средневысотных долинах холодные периоды часто чередуются с оттепелями, хотя средние температуры января обычно ниже —6 °С. Температурные условия допускают возделывание винограда до высоты 1400 м, риса до 1550 м (в Восточном Т.-Ш.), пшеницы до 2700 м, ячменя до 3000 м. Количество осадков в горах Т.-Ш. возрастает с высотой. На подгорных равнинах оно составляет 150—300 мм, в предгорьях и низкогорьях 300—450 мм, в среднегорьях 450—800 мм, в гляциально-нивальном поясе часто свыше 800 мм, местами (в Западном Т.-Ш.) до 1600 мм в год. Во внутригорных впадинах обычно выпадает 200—400 мм осадков в год (более увлажнены их восточные части). На большей части Т.-Ш. отмечается летний максимум осадков, в горном обрамлении Ферганской и Таласской долин — весенний.
Вследствие значительной сухости климата снеговая линия в Т.-Ш. располагается на высоте от 3600—3800 м на С.-3. до 4200—4450 м в Центральном Т.-Ш.; в Восточном Т.-Ш. она понижается (до 4000—4200 м ). В гребневой зоне многочисленные снежники, отдельные районы Т.-Ш. лавиноопасны (главным образом весной).
