Dãy núi nằm ở phía bắc và phía tây sa mạc Taklamakan và về phía bắc của Bồn địa Tarim ở khu vực biên giới Kazakhstan, Kyrgyzstan và Tân Cương ở phía tây bắc Trung Quốc. Ở phía nam, nó kết nối với dãy núi Pamir và về phía bắc và phía đông, nó giáp với dãy núi Altay của Mông Cổ.

Trong bản đồ học phương Tây như Hội Địa lý Quốc gia Hoa Kỳ thì khu vực kết thúc phía đông của Thiên Sơn thường được hiểu là ngay trước Ürümqi, trong khi dãy núi về phía đông thành phố này gọi là dãy núi Bác Cách Đạt (Bogda Shan) cao 5.445 mét. Tuy nhiên, trong bản đồ học Trung Quốc từ thời nhà Hán tới ngày nay đều đồng ý rằng Thiên Sơn được coi là bao gồm cả hai dãy Bác Cách Đạt và Barkol.

Thiên Sơn là một phần của đai kiến tạo sơn Himalaya được hình thành do va chạm của các mảng kiến tạo Ấn Độ và Á-Âu trong đại Tân sinh. Nó là một trong những dãy núi dài nhất ở Trung Á, kéo dài khoảng 2.800 km về phía đông từ Tashkent ở Uzbekistan.[2]

Đỉnh cao nhất của dãy núi Thiên Sơn là Jengish Chokusu với độ cao 7.439 mét (24.406 ft), là đỉnh cao nhất ở Kyrgyzstan nằm trên biên giới với Trung Quốc. Đỉnh cao thứ hai của Thiên Sơn là Khan Tengri (Chúa tể của các linh hồn) có độ cao 7.010 mét, nằm trên biên giới Kazakhstan-Kyrgyzstan. Hai đỉnh núi này được phân loại là hai đỉnh cao trên 7.000 mét nằm xa nhất về phía bắc của thế giới.

Đèo Torugart, nằm ở độ cao 3.752 m (12.310 ft), nằm trên biên giới giữa Kyrgyzstan và khu tự trị Tân Cương của Trung Quốc. Dãy núi Alatau có rừng, nằm ở cao độ thấp hơn ở phần phía bắc của Thiên Sơn là nơi có những bộ lạc du mục sinh sống nói ngữ hệ Turk.

Thiên Sơn ngăn cách với cao nguyên Tây Tạng bởi sa mạc Taklimakan và bồn địa Tarim ở phía nam. Các con sông chính chảy trong khu vực Thiên Sơn là sông Syr Darya, sông Ili và sông Tarim. Hẻm núi Aksu là một phần thuộc Khu bảo tồn thiên nhiên Aksu-Zhabagly là địa điểm đáng chú ý tại tây bắc Thiên Sơn với hệ động thực vật hoang dã vô cùng phong phú.

Băng vĩnh cửu được tìm thấy ở độ cao 3.500-3.700 mét so với mực nước biển. Ở độ cao từ 2.700-3.300 mét thì ở một vài khu vực mới có bởi vi khí hậu và vị trí, thậm chí có những khu vực băng vĩnh cửu nằm ở độ cao dưới 2.000 mét.[4] Các sông băng trên dãy núi Thiên Sơn đã bị thu hẹp nhanh chóng và mất 27%, tương đương 5,4 tỷ tấn khối lượng băng của nó kể từ năm 1961 so với mức trung bình 7% trên toàn thế giới.[5] Ước tính đến năm 2050, một nửa số sông băng còn lại sẽ tan chảy.

Một trong những người châu Âu đầu tiên đến Thiên Sơn và có miêu tả về nó chi tiết là nhà thám hiểm người Nga Pyotr Semenov Tyan-Shansky vào thập niên 1850.