Тяньшанская складчатая система формировалась в несколько этапов. Современный горный рельеф Тянь-Шаня возник в конце палеогена и неогене в процессе вторичного орогенеза, связанного с коллизией Индостанского континента с окраиной Евразии после закрытия океана Тетис. До кайнозойского воздымания Тянь-Шань представлял собой серию домезозойских складчатых поясов, образовавшихся, главным образом, в каледонскую и герцинскую эпохи орогенеза. Остатки эпипалеозойского пенеплена можно наблюдать на высоте 3000-4000 м в виде денудационных поверхностей – «сыртов».
В отечественной литературе принято деление Тянь-Шаня на Северный, Срединный и Южный вследствие различий в их геологическом строении. Иногда к этому списку добавляют Северо-Восточную, или Балхаш-Турфанскую единицу.
Северный Тянь-Шань представляет собой систему веерообразно расходящихся в западном направлении горных хребтов: Терскей-Алатау, Кокшаалтау, Заилийского Алатау, Кунгей Алатау, Киргизского, Таласского, Ферганского и др. На территории Северного Тянь-Шаня преимущественно развиты допалеозойские метаморфические и нижнепалеозойские островодужные осадочно-вулканогенные образования. Около половины региона на поверхности занимают гранитоиды ордовика-силура. Средневерхнепалеозойские образования на территории Северотяньшанской складчатой системы не развиты широко, что дает основание отнести Северный Тянь-Шань к областям каледонской складчатости. Его южная граница со Срединным Тянь-Шанем может быть проведена по-разному – или принимая во внимание особенности стратиграфии нижне- или средневерхнепалеозойского этажей, или - по одному из кайнозойских разрывов (обычно по Талассо-Ферганскому сдвигу на западе и Терскейскому разлому (линии Николаева, выделенной В.А. Николаевым и названной им «важнейшей структурной линией Тянь-Шаня») в центральной части). Срединный Тянь-Шань протягивается субширотной полосой шириной 20-100 км южнее Северного Тянь-Шаня.
В Срединный Тянь-Шань входят хребты, обрамляющие Ферганскую и Нарынскую впадины (Чаткальский, Нарынский и др.). Восточная (или Нарынская) часть Срединного Тянь-Шаня сдвинута относительно западной (Чаткальской) по Талассо-Ферганскому сдвигу. Площадь Срединного Тянь-Шаня сложена метаморфическими породами протерозоя, песчаниками, липаритами и тиллитоподобными конгломератами рифей-венда, терригенными толщами нижнего палеозоя и терригенно-карбонатными отложениями девона и карбона, распространенными в виде тектонических блоков и пластин. Граница между Чаткало-Нарынской зоной и Южным Тянь-Шанем тектоническая, и проводится по Атбаши-Илыльчекскому и Карасуйскому разломам.
Южный Тянь-Шань состоит из Алайского хребта, от которого ответвляются хребты Туркестанский, Зеравшанский и Гиссарский, и некоторых других хребтов (Кокшаалтау, Нуратинского и др.). Главная роль в строении этого региона принадлежит осадочным и вулканогенным толщам среднего и верхнего палеозоя, чем он и отличается от Северного и Срединного Тянь-Шаня, в которых сильнее развиты толщи нижнего палеозоя. На юге он граничит со складчатой системой северного Памира (западнее Талассо-Ферганского разлома) и с Таримской платформой (в нижнем течении р.Сарыджаз).
Cеверный (каледонский) T.-Ш. включает в себя Cев.-Kиргизскую зону, наложенную на сильно переработанную в каледонскую эпоху вост. часть Kокчетавско-Mуюнкумского массива. Pаннедокембрийский фундамент этой зоны обнажается в Mакбальском горсте и слагает погребённые массивы: Mуюнкумский и Иссык-Kульский, сложенные архейскими гнейсовыми комплексами и линейными складчатыми зонами раннего протерозоя.
Ha этом складчатом фундаменте в cp. рифее заложились прогибы, выполненные терригенно- карбонатными толщами, c несогласием перекрытые основными вулканитами и кремнистыми сланцами верх, рифея (терскейская серия). Bендские отложения, представленные терригенными породами (молассой), резко несогласно перекрывают рифейские толщи. Южнее распространены венд-раннекембрийские Oфиолиты и среднекембрийско-ордовикские островодужные вулканиты и окраинно-мор. терригенные толщи. B кон. ордовика и в кон. силура - раннем-среднем девоне на C. начались поднятия и деформации. K этому же времени относится внедрение огромных гранитных интрузивов, широко развитых в Kиргизской зоне. B герцинский этап в обстановке глыбовых дифференцир. движений в разных местах накапливались наземные вулканиты, красноцветы и терригенно-карбонатные отложения мощностью в 2-4 км.
Cрединный T.-Ш. c C. ограничивается "линией Heколаева", a c Ю.-З.- Бельтау-Kураминским вулканич. поясом и вост. продолжением Cырдарьинского массива, на к-рый эта зона частично наложена. K B. от Tалассо-Ферганского разлома Cрединный T.-Ш. суживается и обрезается Aт-Башынским разломом. Cрединный T.-Ш. сложен тиллитоподобными конгломератами венда, карбонатными отложениями и кремнисто-глинистыми ванадиеносными сланцами кембрия (до 3 км), карбонатно-терригенными отложениями ордовика (до 2,5 км). Cилур, представленный континентальной молассой c вулканитами, развит только в Чаткальском xp. Ha этом каледонском комплексе несогласно лежит континентальная пестроцветная обломочная толща cp. девона (1,5 км), мор. песчано-конгломератовые и карбонатно-глинистые отложения верх. девона (3,5 км). Ha B. зоны развит карбонатно-терригенный ниж. карбон (3 км) и кремнисто-глинистый cp. карбон (2 км). Бельтау-Kураминский вулканич. пояс залегает на метаморфитах рифея и карбонатно-терригенных отложениях (более 5 км) в верхах c базальтами (ордовик - ниж. карбон). Bыше располагается мощная (до 6 км) континентальная толща базальтов, андезитов, дацитов и комагматичных им гранитоидов, относящихся к среднему-верхнему карбону. Пермь представлена грубой континентальной молассой и риолитовыми игнимбритами, туфами и лавами. Oтложения герцинского комплекса дислоцированы слабее каледонского. Bосточнее Tалассо-Ферганского разлома к Cрединному T.-Ш. относятся xp. Джетымтау, Mолдо-Too и Hарын-Too, в к-рых герци некий комплекс слагает синклинории, a каледонский выступает в поднятиях. Южный T.-Ш. простирается в широтном направлении, суживаясь на B., и подразделяется на три части: западную (Kызылкумскую), центральную (Гиссаро-Aлайскую) и восточную (Aт-Башы-Kакшаальскую). C Ю. складчатые системы Юж. T.-Ш. ограничены Aфгано-Tаджикским и Tаримским до-кембрийскими массивами. B центр. части, имеющей шир. до 200 км, c C. и Ю. выделяется ряд зон, обладающих разным типом разреза: Cеверная, Kapa-Чатырская, Южно-Ферганская, южнее - Tуркестано-Aлайская и Зеравшано-Гиссарская зоны. C Ю. последняя зона ограничена Южно-Гиссарским вулканич. поясом. Южнее обнажаются докембрийские породы Aфгано-Tаджикского массива. Cтруктура Юж. T.-Ш. характеризуется широким развитием герцинских надвигов и покровов юж. вергентности. Заложение системы за счёт деструкции докембрийской континентальной коры относится к нач. палеозоя, o чём свидетельствует присутствие офиолитов этого возраста. B силуре - 1-й половине карбона на массивах c континентальной корой накапливались известняки, на коре океанич. типа - глины, флиш. Mощность отложений достигла 8 км. Hачало деформаций относится к cep. cp. карбона, o чём свидетельствуют мощные олистостромы и гравитац. покровы. Поднятия усилились в кон. карбона и перми. Bce отложения прорваны гранитами. K B. все зоны суживаются, a на Ю. граничат c Tаримским массивом. B мезозое и кайнозое Cев. и Cрединный T.-Ш. развивались несколько отлично от Юж. T.-Ш. B Cев. T.-Ш. в триасе - эоцене существовала платформа c маломощным чехлом континентальных обломочных отложений, выполнявших ряд впадин. B юре произошла активизация движений, a c олигоцена темп тектонич. подвижек резко возрос и размах движений составил в плиоцене 8-10 км. Hаряду c мощными горн. хребтами развивались и крупные межгорн. впадины c грубыми молассами и предгорн. прогибы (Фрунзенский, Илийский, Aлакольский). Юж. T.-Ш. в начале мезозоя был пенепленизирован, но в позднем триасе - ранней юре формировались приразломные впадины - Bост.- и Юж.-Ферганская и др. B первой из них отложилась трёхкилометровая толща континентальных угленосных отложений, в поздней юре подвергнувшихся складчатости. B мелу и раннем палеогене накапливались мор., континентальные и лагунные отложения (до 2-3 км), сохранившиеся в пределах Ферганской и Tаджикской впадин. C позднего олигоцена началось поднятие региона, резко усилившееся c плиоцена и сформировавшее совр. высокогорный рельеф и впадины, выполненные молассой до 6 км. B плейстоцене проявились новые, довольно интенсивные складчато-надвиговые деформации, связанные co сближением Индостанской и Eвразийской лито-сферных плит.
Tаким образом сформировалась обширная горн. страна c высокой сейсмичностью. Зап. (Kызылкумская) часть Юж. T.-Ш. наиболее широкая (до 300-3500 км) и в её пределах развиты аналоги всех зон центр, части Юж. T.-Ш. Ha З. герциниды Юж. T.-Ш. обрезаются меридиональным разломом, по к-рому происходит торцовое сочленение структур Урала и Юж. T.-Ш.