中國天山地處大陸內部形成了典型的溫帶大陸性氣候，加之天山幅員遼闊，高差懸殊，使得氣溫變化較大。因天山阻擋了大部分西風水汽，使天山地區形成了大量的降水，成為西北內陸的溼島。

其中伊犁河谷降水量較大，平均年降水量達到600～800mm，受山體影響東側托克遜的年降水量僅為6.9mm，總體來說天山地區的降水北坡大於南坡，西部多於東部，山區多於平原，迎風坡多於背風坡，降水最大高度帶一般位於中高山地區，盆地為少雨區。

中國天山分布著大量的現代冰川，為河流提供了大量的水資源補給，數據表明天山山脈共發育冰川7934條，面積約為7179.77平方千米，冰儲量約為756.48立方千米，冰川平均面積0.92平方千米。

天山南北兩側共有出山口河流373條。其中塔里木河長2321km，發源於天山內部，其流域由阿克蘇河、葉爾羌河等9大水系組成，流域面積19.8萬平方千米。另外匯入北冰洋的額爾齊斯河。