天山山脉是既古老而又年轻的山系，具有复杂的地质发展演变历史。早在震旦纪期间，海陆分布已有比较明显的轮廓。天山地区的震旦系相当发育，从海相地层分布来看，海域北缘到准噶尔古陆，海域南缘到塔里木古陆，其范围十分辽阔，惟有在中天山地区出露前震旦系构成的东西向延伸的隆起带。但是，现代天山的形成经过古生代、中生代直到新生代晚期的晚新世—第四纪早更新世强烈的构造运动而定型。这反映了天山山脉地质发展演变历史的复杂性，也表明了它既古老而又年轻的性质。[18]
总体说来，古生代以前是古天山的孕育时期。天山山体的形成演化过程主要经历了3个大的发展阶段，即古生代褶皱隆起阶段、中生代和早第三纪剥蚀夷平阶段晚第三纪和第四纪初的断块隆升阶段。在各发展阶段中，相对而言，第一阶段以内动力占优势，第二阶段以外动力占上风，第三阶段则以内动力为主导。正是第三阶段剧烈的构造运动，形成了现代天山山脉宏伟壮观的态势。[18]
一、古生代褶皱隆起阶段
天山地槽褶皱系是在元古代末扬子旋回形成的古中国地台基础上产生的，经过早古生代的加里东运动和晚古生代的华力西运动，尤其是经过华力西运动后期各次强烈的构造活动，最后褶皱隆起成为高大山地。
天山地槽褶皱系进一步划分为4个褶皱带，即南天山冒地槽褶皱带、北天山伏地槽褶皱带、天山中间隆起带、北山伏地槽褶皱带。
加里东运动表现最明显的是中天山地区，北天山西段也被波及。这期间地壳运动形成中国的中天山褶皱隆起带，走向为北西西到南东东，大致西起现在伊宁和昭苏之间的乌孙山，向东经那拉提山、艾尔宾山到觉洛塔格山，并向吐鲁番—哈密盆地南缘延伸。中天山可能孕育于震旦纪以前，加里东运动褶皱隆起，从而成为晚古生代北天山海槽与南天山海槽的重要界线。正是这一运动引起强烈的地槽分化，使南、北天山地槽朝着两个不同方向发展。南天山由伏地槽背景逐步变为冒地槽环境，北天山则由冒地槽变为伏地槽环境。