天山的走向基本上和地球旋转的方向一致，为东西走向，并且与西风带气流方向大体一致。只是在天格尔山以西山体增宽，形成向西张口的喇叭状，群山对峙的低地中出现了一块风光秀丽的伊犁河谷地。
天山在气候上主要受西风气流、西北气流与蒙古高压气流影响。西风气流涌入喇叭状的伊犁河谷地后很快收缩和抬升，大量降水随之而来。
因此，伊犁河谷地海拔3000米以上的山区，年降水量达800~1000毫米，是天山降水量最多的地区。
北天山的山坡深受西北气流影响，冬春季降水多，高山区年降水量达700～800毫米。
南天山的南坡，基本处于背风区，山区年降水量下降为500～700毫米。但并非绝对不变，个别高大的山峰所在地区，例如托木尔峰区，降水量可增加到700~900毫米。
天山的气温，东西向差异较小，而南北差异很大。主要原因是天山为东西走向，较冷的北方气流被山体北坡隔阻后，寒冷（潮）已成强弩之末，使南坡受惠，类似于「避风港」。
从观测到的几个对照数字看，东西向年均气温差0.2~1.4℃，夏季平均气温差0.3~1.3℃，均说明温差甚微。而南北向则不然，年均气温差达3.0~4.2℃，夏季相差也在1.6~3.2℃。
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