Склоны горных хребтов Тянь-Шаня динамичны. На них развиваются эрозионные процессы, образуются осыпи и камнепады, местами – оползни, в ущельях – сели. Исключительно высокой селевой активностью речных долин известен северный склон Заилийского Алатау. Разрушительными селями, оползнями и обвалами сопровождались здесь и сильные землетрясения.
Климат Тянь-Шаня отличается в целом резкой континентальностью, что связано с его положением в сравнительно низких широтах внутри материка, на значительном удалении от Атлантического океана, среди сухих равнинных пространств пустынь. Однако большие высоты хребтов, сложность и расчлененность рельефа обусловливают значительные контрасты в температурах и степени увлажнения.
Насыщенные влагой атлантические воздушные массы в виде западных воздушных течений, идущих на значительной высоте над среднеазиатскими пустынями, достигают хребтов Тянь-Шаня. Под воздействием горного рельефа происходит обострение атмосферных фронтов и выпадение значительного количества осадков (местами более 1600 мм/год), преимущественно на западных склонах. Наоборот, на восточных склонах и в котловинах Внутреннего и Центрального Тянь-Шаня создаются засушливые условия (количество осадков – 200–300 мм/год).
Температурные условия в Тянь-Шане меняются в соответствии с закономерностью высотной зональности. Здесь выделяются климатические высотные зоны – от климата знойных пустынь у подножий гор до холодного климата высокогорной снежно-ледяной зоны. В долинах нижнегорной зоны средняя температура июля 20–25 град., в средневысотных долинах – 15–17 град., а на вершинах горных хребтов она падает до 0 град. и ниже. Зимой во всех зонах, за исключением высокогорной, холодные периоды чередуются с оттепелями, хотя средние январские температуры отрицательные (в большей части долин —6 град. и ниже). Широко распространены явления температурной инверсии.
Реки Тянь-Шаня заканчиваются в бессточных озерных бассейнах пустынь Средней и Центральной Азии, во внутренних тянь-шаньских озерах или имеют «сухие дельты», т. е. воды их просачиваются в аллювий подгорных равнин и разбираются на орошение. Большая часть рек относится к бассейну Сырдарьи.
В Тянь-Шане много озер. Наибольшее из них – прекрасный незамерзающий