东西横跨中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦四国。中国境内的天山山脉把新疆大致分成两部分：南边是塔里木盆地；北边是准噶尔盆地。

中国境内天山山脉由三列平行的褶皱山脉组成，山势西高东低，山体宽广。天山北脉有阿拉套山、科古琴山、博罗科努山、博格达山等；天山中脉有阿拉喀尔山、那拉提山、艾尔温根山、霍拉山等；天山南脉有科克沙尔山、哈尔克山、贴尔斯克山、喀拉铁克山等。