Складчатая система северных и центральных дуг Тянь-Шаня образовалась в течение каледонского и герцинского этапов. Каледонские структуры охватывают северные хребты Тянь-Шаня — Заилийский, Кунгей, Терскей, Киргизский и Таласский Алатау, Кетмень и Каратау, сложенные породами докембрия и нижнего палеозоя (кристаллические сланцы, песчаники, известняки, мраморы, гнейсы, граниты, сиениты). К герцинским структурам относятся хребты центральных дуг: Чаткальский, Кокшаалтау, Ферганский, Алайский, Заалайский, Туркестанский и Гиссарский, образованные средне- и верхнепалеозойскими отложениями. Обширные межгорные котловины (Илийская, Чуйская, Нарымская, Иссык-кульская и Ферганская), являющиеся важными структурными элементами Тянь-Шаня, выполнены мощными мезо-кайнозойскими отложениями. Магматические породы в форме гранитных интрузий и эффузивных излияний представлены широко — от архейских до молодых.
К концу палеозоя каледонские и герцинские сооружения были консолидированы и образовали спаянный массив с единым режимом движений. В мезозое и палеогене они подверглись интенсивной денудации и пенепленизации. В неогене широко проявились на территории СНГ  (и за ее пределами) мощные складчатые движения, сопровождавшиеся широтными разломами в местах, где земная кора потеряла свою пластичность. Ими обусловлена широтная ориентировка структур Тянь-Шаня (за исключением Ферганского хребта).
    Тянь-Шань состоит из ряда антиклинориев, морфологически выраженных горными хребтами. Они разделены синклинориями — глубокими межгорными впадинами.
Полезные ископаемые связаны с палеозойскими циклами орогенеза: полиметаллы, медь, золото, ртуть. К осадочным отложениям приурочены фосфориты, угли, нефть, газы.