亚洲中部大山系。横贯中国新疆维吾尔自治区中部，西端伸入哈萨克斯坦境内。长2500千米，其中位于中国境内长约1700千米。东西走向。南北宽250～300千米 。山地平均海拔3500～4500米，不少高峰在5000米以上。
汗腾格里峰地区是天山最宽大最高耸的山区，其中主峰汗腾格里峰海拔6995米，托木尔峰7435米。雪线变动于3500～4500米之间，北低南高，有不少山峰终年积雪。天山山地有广大的断块陷落盆地和谷地，如中国境内的哈密盆地、吐鲁番盆地、焉耆盆地、尤尔都斯盆地、伊犁河谷地等。山地与盆地的走向都受断裂控制。
中国境内的天山通常以东经88°附近的达坂城为界，分为东西两部分。西段山势高峻，山脉延续，少断裂垭口；谷地盆地面积较小，冰川发育，南北交通困难。东段除博格达山较高外，山势较缓低。冰川规模较小。由于天山隆起于塔里木盆地和准噶尔盆地之间，成为气候的重要分界。北侧较湿润，南侧干旱。北坡有云杉林分布，南坡多山地草原。植物、土壤垂直变化明显。
北坡的云杉林分布在海拔1600～2800米之间，为重要的森林资源。发源于山地的河流有伊犁河、玛纳斯河、阿克苏河等，在山间或山前形成大面积绿洲，成为新疆的主要农业区。
伊犁河谷盛产苹果，吐鲁番盆地盛产葡萄。山地草场广阔，为优良牧场。伊犁马、焉耆马、新疆细毛羊均为优良品种。山间矿产资源有铁、有色金属、煤等。兰新铁路经哈密盆地、吐鲁番盆地至乌鲁木齐市，穿过天山山脉。由伊犁至焉耆的天山山区公路也已开通。
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