Мұхиттардан алыста, құрлықтың түкпірінде жатуына және жан-жағынан шөлдер қоршауына байланысты Тянь-Шаньның климаты тым континенттік, құрғақ. Көпшілік бөлігі қоңыржай белдеуде, ал оңтүстік-батыс жоталарға құрғақ субтропиктердің әсері тиеді. Тау етегінің ыстық, құрғақ климатынан биік тау басының [[Нивальдық климаттар|нивальдық климатынаклимат]]ына дейін орын алады. Шілденің орташа температурасы тауаралық қазаншұңқырлардың төменгі бөлігінде 20 – 25<sup>0</sup>С, орта өңірде 15 – 17<sup>0</sup>С, биік тау басында 0 <sup>0</sup>С және одан да төмен. Қаңтардың орташа температурасы тау етегінде –2 – 4<sup>0</sup>С (оңтүстікте), –6 – 8<sup>0</sup>С (солтүстікте). Қыста биік таулы белдеуден басқа бөліктерінде суық ауа райы жылылықтармен алмасып тұрады. Қыс айларында температуралық инверсия кең алқапты қамтиды. Жылдық жауын-шашын мөлшері тау етегінде 300 мм, тау жоталарының жоғары бөлігінде 800 мм. Жауын-шашынның ең көп түсетін мерзімі Тянь-Шаньның солтүстік бөлігінде жазға, оңтүстігінде көктемге ([[наурыз]] – [[сәуір]]) тура келеді. Континенттік және құрғақ климатқа сәйкес құрғақшылық ландшафт типтері басым. Тау алды еңіс жазықтарын, көпшілік жоталардың етегі мен кейбір тауаралық қазаншұңқырларды шөлейт, шөл ландшафттары алып жатыр.
