有起伏多变的山峦。天山大峡谷主要由与天山主脉相垂直的三条山脉构成，由南高北低，南部为由高山、中山、低山及低山丘陵组成的山区，北部为由冲积洪积扇和河阶构成的山前倾斜冲洪积平原。大峡谷内最高峰海拔高5222.4米，由片麻岩、云母岩、石英岩、白方岩等变质岩和花岗岩、花岗斑岩等岩浆岩组成。。天山大峡谷属于北温带大陆性干旱气候。日照时间长，昼夜温差大，水资源丰富。大峡谷内年平均气温4至6摄氏度，冬季平均气温大约-15摄氏度，夏季平均气温21摄氏度左右。无霜期150到160天。流域内全年65%的降水量出现在春、夏两季，