Тянь-Шань прошел очень сложный геологический путь развития. В докембрийское и нижнепалеозойское время здесь развивалась обширная геосинклиналь, в которой накапливались мощные толщи морских осадков - известняки, глины, пески. В нижнем палеозое происходит каледонская складчатость, которая наиболее энергично проявилась в северной части Тянь-Шаня. Отложенные в море породы испытывают под влиянием складкообразования и внедряющихся гранитов сильные изменения. В течение среднего и верхнего палеозоя в Северном Тянь-Шане откладываются в основном континентальные осадки большой мощности. В конце каменноугольного и в пермский периоды на всей территории Тянь-Шаня происходят интенсивные тектонические движения. Наиболее сильно они проявились в южной части, где продолжали существовать морские условия. Это была эпоха герцинской складчатости, после которой Тянь-Шань предстал обширной складчатой страной с системой впадин и разделявших их поднятий.

В течение мезозоя и начала кайнозоя происходит разрушение поднятий и заполнение продуктами разрушения многочисленных впадин, где накапливаются мощные пласты континентальных отложений. Происходит, таким образом, выравнивание, или пенепленизация рельефа. Современные горы в своем большинстве возникли на основе этого мезозойского пенеплена (поверхности выравнивания) в результате мощных неоген-четвертичных поднятий, сопровождавшихся расколами и складкообразованием.

Многие высокие хребты напоминают не цепь зубчатых пиков, а ступенчатые плато, рассеченные круто падающими ущельями. Это остатки древних поверхностей выравнивания с выходами древних кристаллических пород. Но наиболее высокие хребты почти всегда увенчаны остроконечными гребнями с древнеледниковыми формами.

На высотах 3000-4000 м перемещенные по разломам отдельные блоки древних поверхностей выравнивания образовали целые серии плато с прямолинейными уступами. Такие плоские поверхности в горах получили название "сырты". Над ними (более чем на 1000 м) высятся обрывистые утесы скалистых вершин, сложенных стойкими к выветриванию гранитами и кристаллическими сланцами. Местами уцелели целые плоскогорья из древних выровненных поверхностей. Особенно хорошо сохранились такие поверхности во Внутреннем Тянь-Шане, который еще не успела освоить речная сеть. По некоторым из древних поверхностей проложены дороги.

Тенденция к поднятию и тектоническая нестабильность территории сохранились до сих пор, о чем напоминают многочисленные нарушения речных террас, термальные источники и подземные толчки силою до 10 баллов. Во время землетрясений возникают громадные обвалы. Отломившиеся скалы весят до 30-50 т и создают валообразные нагромождения камней и рыхлого материала.