天山造山带呈楔状分布，东西向延绵超过3000米。西段主要位于乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦境内，东段位于中国新疆的准噶尔地块与塔里木板块之间，横贯于新疆中部，呈东西向延伸；范围与天山山脉大体相当，往东可延至甘肃北山地区；以发育多条蛇绿岩带、岛弧带及超高压变质带为特征。有学者认为天山造山带是晚古生代造山带，也有学者认为天山造山带是三叠纪造山带。

中国境内分为北天山缝合带和南天山缝合带（分别代表北天山洋和南天山洋的闭合位置），其间为西宽东窄的哈萨克斯坦-伊犁地块。①北天山缝合带。发育晚古生代巴音沟蛇绿岩，是新疆北部代表北天山洋的最年轻蛇绿岩（形成于3.25亿年前），侵入于蛇绿岩带中的花岗岩的年龄为3.16亿年。因此，北天山洋的闭合发生在3.25亿～3.16亿年。晚石炭世初期，哈萨克斯坦-伊犁地块与准噶尔地体沿北天山洋发生碰撞，致使北天山洋消失，形成哈萨克斯坦-伊犁-准噶尔复合地体和北天山缝合带。沿北天山缝合带两侧发育大量二叠纪碰撞后A型花岗岩和双峰式火山岩。②南天山造山带。从西向东发育巴雷公、黑英山、库勒及榆树沟蛇绿岩，其形成时代从奥陶纪到早石炭世。蛇绿岩套中分离出的放射虫化石最年轻为早石炭世晚期。与南天山洋俯冲相关的超高压榴辉岩峰期变质时间为约3.19亿年前。碰撞后钉合岩体最大年龄约为3亿年。因此限定塔里木板块与哈萨克斯坦-伊犁-准噶尔复合地体沿南天山缝合带于晚石炭世发生碰撞造山，形成南天山造山带。沿南天山缝合带两侧发育大量二叠纪碰撞后岩浆岩和磨拉石盆地沉积。

现今的天山造山带由于新生代欧亚板块与印度板块相互碰撞的远程效应而重新活化，南侧库车坳陷和北天山吐-哈盆地的中、新生代地层都卷入逆冲系统，说明天山造山带在后期又经历强烈侧向挤压。