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중국 서부의 가장자리에 있다. 산맥과 그 산맥 사이에 있는 계곡과 분지는 대체로 동서방향으로 약 3,000㎞에 걸쳐 뻗어 있다. 너비는 중앙에서 354㎞이며, 동쪽과 서쪽 끝에서는 약 480㎞로 일정하지 않다.

산계는 북쪽으로 준가얼 분지[準喝爾盆地]와 카자흐스탄 평원 남부, 남동쪽으로는 타림 분지, 남서쪽으로는 알라이·수르한(수르호프)과 기사르 강 유역 및 파미르 고원과 경계를 이루고 있다.

톈산 산맥은 알프스 형의 산맥으로 경사가 가파르며 산꼭대기를 따라 빙하가 있다. 중앙에 제일 높은 봉우리들이 모여 있으며, 그곳으로부터 산등성이가 중국과 키르기스스탄 사이의 국경을 따라 뻗어 있다. 빅토리 봉[勝利峰]은 톈산 산맥의 최고봉으로 높이가 7,439m에 이른다.

톈산 산계를 흐르는 많은 큰 강들은 빙하가 녹은 물로 이루어지는데, 유량은 늦은 봄과 여름에 최고로 올라간다. 강들은 중앙 아시아의 주요내륙저지대로 빠지는데, 그 저지대 중에는 아잘 분지와 타림 분지도 있다.

톈산 산맥 지역은 강한 대륙성기후로, 여름과 겨울의 기온이 매우 극단적인 것이 특징이다. 강수량의 대부분은 바람이 불어오는 방향인 서쪽과 북서 경사면의 해발 2,300~2,800m 지대에 내린다. 동쪽과 산맥 내부 지역은 전체 강수량이 100㎜ 이하로 줄어든다.

특징적인 식물과 동물은 고도에 따라 다르게 나타나는데 이 때문에 토양과 초목이 다양하게 분포되어 있다. 대부분의 일반적인 풍경은 스텝 지대로 해발 1,070~3,350m에서 형성된다.

수백만 명의 주민이 산간지역에서 살고 있는데 대부분 키르기스족과 위구르족이다. 페르가나 강 유역은 인구 밀도가 가장 높은 지역으로 보통 1㎢당 190명이 넘는다. 강유역과 낮은 경사면에서는 관개농업이 발달해 있으며, 높은 경사면에서는 가축을 방목한다.