Tienszan został sfałdowany w orogenezie kaledońskiej i hercyńskiej, następnie wyrównany procesami erozyjnymi i powtórnie poddany ruchom górotwórczym, które nadały mu obecny wygląd. Góry zbudowane są ze skał osadowych, metamorficznych i wylewnych paleozoiku i prekambru (łupki, piaskowce, wapienie, marmury, gnejsy, granity). Flora U podnóża Tienszan, na wysokości 400–500 m n.p.m., znajdują się pustynie, półpustynie i suche stepy. Wyżej, na wysokości 1200–1500 m, występują stepy łąkowe, a w zachodniej części pasma również lasy liściaste z drzewami owocowymi. Wyżej stoki porastają lasy iglaste, głównie świerkowe, łąki subalpejskie i alpejskie. Linia wiecznego śniegu w części północno-zachodniej na wysokości 2600–3800 m, zaś w środkowej 4200–4450 m
Fauna Występującymi u podnóża gór – na pustyniach i stepach – zwierzętami są m.in. antylopy, zające tolaje (Lepus tolai) i chomiczaki szare (Cricetulus migratorius). We właściwej części pasma na większych wysokościach obecne są m.in. irbis (Panthera uncia), koziorożec syberyjski (Capra sibirica), sarna syberyjska (Capreolus pygargus), owca ałtajska (Ovis ammon). W niższych partiach, na obszarach lesisto-łąkowych, spośród ssaków występują m.in.