Tienszan zbudowany jest z utworów paleozoicznych. Góry te uległy denudacji i następnie w trzeciorzędzie wtórnemu wypiętrzeniu. W rezultacie, powstały tu liczne kotliny tektoniczne, przede wszystkim Kotlina Turfańska, jedno z najgłębszych zapadlisk tektonicznych świata. Dno tej jedynej w swoim rodzaju „studni” leży w najniższym punkcie 154 m p.p.m., brzegi jej zaś znajdują się ponad 1000 m n.p.m.
Po obu stronach Tienszanu rozciągają się dwie wielkie kotliny: Kotlina Kaszgarska i Kotlina Dżungarska. Położona na północ od Tienszanu Kotlina Dżungarska sięga aż po granicę z Mongolią i góry Ałtaju Mongolskiego. Leżąca na południe od Tienszanu Kotlina Kaszgarska, zwana też Kotliną Tarymską, dochodzi do przedgórzy Pamiru, Karakorum i Ałtyn-Tagu. Granica z regionem autonomicznym Tybetu biegnie w głębi Wyżyny Tybetańskiej, wzdłuż pasma Gór Przewalskiego, wzniesionego w pasmie Ulug Muztag do 7723 m n.p.m. Ku wschodowi Kotlina Kaszgarska przechodzi w pustynną równinę, sięgającą do wschodnich granic okręgu i łączącą się z równiną Ałaszan.