天山是世界七大山系之一，位于歐亞大陸腹地，全長約2500千米，南北平均寬250—350千米，最寬處達800千米以上，呈東西走向，綿延中國境內1700千米，占地57萬多平方千米，占新疆全區面積約1/3。中國境內的天山山脈把新疆大致分成兩部分：南邊是塔里木盆地，北邊是準噶爾盆地，其東部漫長的低暖余脈達到嘉峪關。

托木爾峰是天山山脈的最高峰，海拔7443.8米。錫爾河、楚河和伊犁河都發源于天山。也是世界上距離海洋最遠的山系和全球干旱地區最大的山系。

天山是全球唯一由巨大沙漠夾持的大型山脈，以深居內陸的地理區位、溫帶大陸性干旱氣候、山盆相間的地貌格局、眾多的冰川河流、絕妙的自然景色、特殊的生物區系和生態過程等諸多自然特征，成為全球溫帶干旱區大型山地生態系統的最典型代表。

天山山地的年降水量，同一山坡自西到東，逐漸減少；山地迎風坡（北坡）多于背風坡（南坡）；山地內部盆地或谷地少于外圍山地。天山南麓和北麓的植被分布不同，北坡由山腳至山頂植被依次為山地草原，山地草甸草原，針葉林，高山草原，高山墊狀植物，積雪冰川。南坡由山腳至山頂依次為：荒漠、荒漠草原、干旱山地草原、山地草原、剝蝕高山、積雪冰川。

楚河是吉爾吉斯斯坦和哈薩克斯坦境內河流，古稱碎葉水。楚河源出天山，是一條內流河，全長1067千米，流域面積62500平方千米。錫爾河是中亞最長的河流，全長3019千米，流域面積21.9萬平方千米，河流由東向西流，最后在新霍皮奧爾斯克大約75千米處匯入咸海。伊犁河是中國水量最大的內陸河，也是新疆水量最豐富的河流。伊犁河主源特克斯河發源于汗騰格里峰北側，由西向東流，在伊寧和喀什河匯合，穿越國境，進入哈薩克斯坦，最終進入巴爾喀什湖。

天山南北有豐富的煤、鐵、銅等礦產資源。野生動植物3000余種，各類珍稀瀕危動植物近500種。天山地區也是優良牧草的基因庫，已發現的禾木科植物就達55種，2013年，新疆天山成功申請成為自然遺產，成為中國第44處世界遺產。