天山地洼区（Tianshan diwa region）属中亚期地洼区。由太古宇各种片岩、片麻岩等构成结晶基底，代表前地槽构造层。古生代处于地槽体制，代表构造层主要由前三叠纪具复理石特征的巨厚变质系组成。石炭纪发生强烈褶皱，伴有巨大花岗岩（天山花岗岩）侵入。二叠纪形成古天山褶皱带。二叠纪—三叠纪沿褶皱带南北两侧有山前坳陷沉积，含油页岩（大隆口统）。随后褶皱带被剥蚀夷平达准平原化，从而转入地台阶段。天山顶上的多级夷平面，皆系地台地貌经受后来地洼阶段块断作用破坏后的残留部分。晚侏罗世—白垩纪以来，块断运动强烈、差异升降显著，遂形成今日海拔4000～7000米的高峻的块断型地穹山脉与深陷的地洼盆地（如低于海平面154米的吐鲁番盆地）相间出现，以及残留于山顶的各级夷平面。地洼型沉积发育，更新世的西域砾石层即其代表，是第二代天山山脉形成时强烈差异升降运动所产生的假磨拉石建造。