天山山脉由三列大致平行的山岭组成，其中北天山有阿拉套山、婆罗科努山（博罗克努山）和依连哈比尔尕山，中天山有乌孙山、那拉提山和额尔宾山，南天山有科克沙勒山、哈尔克他乌山、科克铁克山和霍拉山，东天山有博格达山、巴里坤山和喀尔力克山等。
在天山山系中，海拔在5000米以上的山峰大约有数十座，除最高峰托木尔峰外，主要还有中哈界峰汗腾格里峰、博格达峰、瓦斯基配卡维里山、德拉斯克巴山、蒐雷孜山、史卡特尔东峰、孜哈巴间山等。
博格达峰
博格达峰，海拔5445米，位于东经88.3度，北纬43.8度，坐落在新疆维吾尔自治区阜康市境内，是天山山脉东段的着名高峰。山峰3800米以上是终年不化的积雪区，白雪皑皑，故有“雪海”之称。
托木尔峰
托木尔峰位于阿克苏地区温宿县境内的中国与吉尔吉斯斯坦国境线附近，属天山山脉中天山区。海拨7443.8米。“托木尔”，维吾尔语意为“铁”。托木尔峰为天山第一峰，被列为国家综合自然保护区。
汗腾格里峰
汗腾格里峰（KhanTengri）位于东经80.2°，北纬42.2°，中华人民共和国和哈萨克斯坦国界线上。它是天山山脉的第二高峰，在天山山脉中科克沙勒岭与哈尔克山的结合部位，海拔6995米。东邻托木尔峰，西邻吉尔吉斯斯坦境内伊塞克湖盆地，北邻伊犁河谷地，南邻塔里木盆地北缘的阿克苏绿洲。汗腾格里峰一带地势高峻，山岭海拔多在4000米以上，6000米以上的高峰多达40座，山地大面积突出于雪线之上。
天格尔峰
天格尔峰北侧有天山乌鲁木齐河源1号冰川，位于乌鲁木齐南山地区天山中段喀拉乌成山，距乌鲁木齐118千米。该冰川形成于第三冰川纪，距今已有400万年历史。冰川形状为双支冰山冰川，冰川上限海拔高度为4474米，冰舌末端，海拔高度3790米，冰川长度为200米，面积1.74平方千米。
天山主要河流有楚河、锡尔河、伊犁河等。
楚河
楚河是吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦境内河流，古称碎叶水。楚河源出天山，是一条内流河，全长1067千米，流域面积平方千米。
锡尔河是中亚最长的河流，有2源，右源纳伦河和左源卡拉达里亚河。纳伦河发源于中天山切尔斯凯伊阿拉套与阿克什俩克山区，河流由东向西流，在纳曼干东大约20千米处与卡拉达里亚河相汇后称锡尔河。干流先向西南流，至别卡巴德转向西北，最后在新霍皮奥尔斯克大约75千米处汇入咸海。河流先后流经吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、哈萨克斯坦4国，全长3019千米，流域面积21.9万千米，河口多年平均流量1060立方米秒，年均径流量336亿立方米。
锡尔河主要支流有阿汉加兰河、奇尔奇克河、克列斯河、阿雷西河等。
伊犁河
伊犁河是中国水量最大的内陆河，也是新疆水量最丰富的河流。伊犁河主源特克斯河发源于汗腾格里峰北侧，由西向东流，在东经82°左右折向北流，穿过喀德明山脉，和巩乃斯河汇合，又折向西流，在伊宁和喀什河汇合，穿越国境，进入哈萨克斯坦，最终进入巴尔喀什湖。
塔里木河
塔里木河是中国境内天山南坡的重要河流，现由发源于天山的阿克苏河、发源于喀喇昆仑山的叶尔羌河以及和田河汇流而成。至清朝后期，塔里木河在上、中游仍有五条源流（除现阿克苏河、叶尔羌河、和田河外，还有喀什噶尔河和渭干河）。后因绿洲扩大，人工渠道增多，引水量增加，使喀什噶尔河在清末、渭干河在解放初就失去和塔里木河联系。