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。

中国境内的天山山脉把新疆大致分成两部分：南边是塔里木盆地，北边是准噶尔盆地。托木尔峰是天山山脉的最高峰，海拔7443.8米。