位于地球上最大的陆地——欧亚大陆腹地。呈东西走向，横跨中华人民共和国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦4个国家，全长2500千米，南北平均宽250～350千米，最宽处达800千米以上（图1）。托木尔峰是天山山脉主峰，海拔7443米。构成山地的主要岩石是古生代变质岩和火山碎屑岩及华力西期的侵入岩等。世界七大山系之一，为世界上最大的独立纬向山系，世界上距离海洋最远的山系和全球干旱地区最大的山系。

图1　天山山脉

在地质历史上，天山地槽形成于震旦纪晚期。经加里东运动，特别是华力西运动，地槽发生全面性回返，褶皱隆起形成古天山山地。中生代至早第三纪末，古天山被剥蚀夷平成为准平原。晚第三纪，特别是上新世以后，准平原发生断块抬升，形成多级山地夷平面，后经冰川与流水交替作用成为现代天山。受板块运动影响，山地内部及边缘多断裂，新构造运动活跃，处于地震带上。

在中国境内，天山山脉横亘新疆维吾尔自治区中部，东西绵延长约1700千米，占地57万多平方千米，占新疆全区面积约三分之一。天山山脉把新疆分隔成南边的塔里木盆地与北边的准噶尔盆地，是一条重要的地理分界线。天山山脉由一系列近东西向大致平行的山脉组成，分北、中、南三带。①北天山。长约1300千米，分为东西两段。西段包括阿拉套山、科古琴山、婆罗科努山、依连哈比尔尕山、天格尔山等，平均海拔4000～5000米；东段包括博格达山、巴里坤山、喀尔里克山、梅欣乌拉山等，平均海拔3000～4000米。②中天山。长约800千米，自西向东主要有乌孙山、比奇克山、那拉提山、艾尔宾山、阿拉沟山、觉罗塔格山等，一般海拔3000米。③南天山。西起克孜勒苏河源，东到罗布泊以北，全长1100多千米。汗腾格里山以西称天山南脉，走向近北东，包括阿赖山、科克同套山、麦丹他乌山、阔克沙勒山；汗腾格里山以东，从西向东依次为哈尔克他乌山、科克铁克山、霍拉山、库鲁克塔格山等。南天山以托木尔—汗腾格里山最为高峻，一般超过海拔5000米。由此向东山势有所下降，平均海拔4000米左右，库尔勒以东大部分山地都在海拔2000米以下，最东段实际上为一岗丘带。

山体之间夹有许多宽谷与盆地，较大的有伊犁谷地、尤尔都斯盆地、焉耆盆地、吐鲁番—哈密盆地、巴里坤盆地、拜城盆地等，其中吐鲁番盆地最低处低于海平面以下154.31米，为中亚最低点。

天山山地现代地貌过程，从山顶到山麓依次为：①常年积雪和现代冰川作用带。位于海拔3800～4200米以上的冰雪覆盖的极高山带。天山拥有现代冰川近7000条，面积达1000平方千米。②冰缘作用带。位于海拔2600～2700米以上的山区，堆积了大量古代冰川沉积物，并保留了古冰斗、冰槽谷、冰坎等多种冰川侵蚀地形。寒冻风化作用强烈，负温期长达半年，仅于盛夏解冻。③流水侵蚀、堆积带。位于海拔1500～2700米（或2800米），河网密布，河谷阶地发育。④干燥剥蚀低山带。位于海拔1300～1500米以下，年降水量200～400毫米，南坡位于海拔1700～2000米以下，年降水量100～150毫米，外营力以干燥剥蚀作用为主。

天山在欧亚大陆中心位置决定了其具有鲜明的大陆性气候，以冬夏气温趋于极端为特征。山地气候年中明显分成冷、暖两季。冷季天气多晴朗，3000米以下的山地、盆地和谷地积雪深厚，且多雾霜。暖季（夏季）海拔3000米以上多雨雪。3000米以下气候凉爽。各地气温变化主要取决于海拔高度，山麓夏季炎热，7月平均气温在吐鲁番盆地可达34℃，而在天山腹地海拔约3200米的高度，7月气温降至5℃，终夏都可能有霜；1月平均气温在伊犁盆地为-10℃，在天山腹地高山区气温降至-23℃。在天山山地，特别是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；1月份的逆温层结最大，可达3000米左右。

天山山地积雪分布与降水相同，同一山坡的年降水量自西到东逐渐减少，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。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，竟达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月，最少集中为2月。天山山地的最大降水带随季节迁移，冬季最大降水带在海拔1500～2000米，夏初开始向海拔更高地带迁移，7～8月可上升到海拔5000米的高山带；此后又开始回返，10月就接近冬季最少降水带。山地暴雨历时短暂，但强度很大。

山脉属高山型，山坡陡峭。雪线高度在3500米以上冰川发育，锡尔河、楚河、伊犁河等中亚大河都发源于天山。在不到20万平方千米的山地径流形成区内，有大小河川200多条，年总径流量436亿立方米，占新疆河川径流总量的52%。按各河流出山口以上的集水面积计算，年平均径流深271毫米。河流年径流变差系数一般为0.1～0.2，年径流变差系数属中国最小地区之一。

天山位于不同的生物-气候带中，其北侧属于温带荒漠，南侧属于暖温带荒漠，而西部的伊犁盆地属于温带荒漠草原。不同地带的水热条件明显地反映在所隶属的垂直系统中，因而天山不同坡向的垂直带结构有很大差异。植被典型垂直带谱从山麓向上依次通常为荒漠、荒漠草原、草原、针叶林、亚高山草甸、高山草甸、高山垫状植被和亚冰雪带稀疏植被、冰雪无植被带。与植被分布相对应，土壤的典型垂直带谱从山麓向上依次分别为山地灰棕漠土（或山地棕漠土）、山地棕钙土、山地栗钙土、山地黑钙土、山地灰褐色森林土、亚高山草甸土、高山草甸土。随着水热条件的变化，天山的南坡与北坡、西部与东部的植被和土壤垂直带谱有所差异，会增加或缺失某些植被带或土壤带。

天山地区资源十分丰富，主要有森林资源、草地资源、动植物资源、水资源和水力资源、矿产资源、旅游资源等。以山地雪岭云杉针叶林为主的森林资源面积达50.85万公顷以上，而广袤的山地草场更是为新疆畜牧业发展提供了优厚的基础条件。动植物资源主要有盘羊、雪豹、猞猁、马鹿、天山羚羊、旱獭、苍鹰、雪莲花、贝母、党参以及第三纪孑遗植物野苹果、野杏、野核桃等。水是人类生存之源，在天山顶上有世界最大的冰川，汇成无数条河流，灌溉着大漠绿州之上的阡陌桑田。天山地区水能蕴藏量巨大，已建成恰布其海水库、吉林台水电站、铁门关水电站、肯斯瓦特水利枢纽工程等一大批水力开发设施。天山地区是新疆重要的矿产地，拥有煤、石油、铜、锌、金、盐等多种矿产，比较有名的产地有三道岭煤矿、苇湖梁煤矿、吐哈油田、阿希金矿、土屋铜矿等。天山山地自然景观类型多样，冰川、湖泊、森林、草原壮丽而奇美，旅游资源得天独厚（图2）。博格达峰、天山天池、赛里木湖、那拉提草原、唐布拉、天鹅湖、江布拉克等景区闻名遐迩。2013年，中国境内天山托木尔峰、喀拉峻—库尔德宁、巴音布鲁克、博格达4个片区以新疆天山名称成功申请为世界自然遗产，成为中国第44处世界遗产。

图2　俯瞰天山山脉