Древний фундамент Северного Тянь-Шаня вскрыт в Киргизском и Таласском хребтах, Заилийском Алатау, Прииссыккулье и Джумгол-Терскейской системе хребтов. Принято считать, что выступы допалеозойского гранитно-метаморфического комплекса относятся к единому континентальному массиву – Муюнкуму, находящемуся под чехлом Муюнкумской впадины (в низовьях реки Чу) и обнаженном в хребтах Киргизском, Кунгей и Терскей-Алатау. Вскрытый в западной части Северного Тянь-Шаня Каратау-Таласский массив, который также считается частью Муюнкума, отделен от него Киргизо-Терскейским офиолитовым швом. Это дает основание предположить, что Восточная Гондвана (либо какой-то иной докембрийский континент) была раздроблена событиями начала рифея – конца палеозоя и воссоединилась с образованием офиолитового шва между ее фрагментами на месте бывшего океана (либо краевого моря).

Допалеозойский фундамент неоднократно подвергался региональному метаморфизму, проявления которого можно наблюдать в Макбальском антиклинории в западной части Киргизского хребта и в Актюзском выступе древнего фундамента в хребтах Кунгей и Заилийский Алатау. K-Ar и Rb-Sr датировки показали, что эти метаморфические процессы относятся, предположительно, к байкальской эпохе, а затем, уже в каледонскую эпоху, произошел вторичный метаморфизм, и древний фундамент испытал еще одну перестройку. Однако метаморфизму байкальской эпохи часто особого значения не придают.

На комплексе основания несогласно залегает главный геосинклинальный комплекс, начинающийся вендскими отложениями.

Главный складчатый комплекс

Главный складчатый комплекс Северного Тянь-Шаня представлен двумя типами разрезов.

Первый тип разреза Северотяньшаньского нижнего палеозоя был сформирован на пассивной окраине Каратау-Таласского массива и сложен преимущественно осадочными породами. Нижняя часть этого комплекса, установленного в хребте Малый Каратау, представлена песчано-глинистыми вендскими отложениями. На вендском уровне также развиты залегающие с пологим несогласием тиллитоподобные конгломераты, мощностью около 500м, выше которых сформирован непрерывный разрез известняков и доломитов мощностью более 2000м. Фрагменты этой последовательности также можно наблюдать в Таласском хребте и близ озера Сон-Куль, где, кроме того, установлены раннепалеозойские (кембрий – верхний ордовик) глинисто-карбонатные свиты – отложения склонов или подножия древнего континента. К кремнисто-спилит-диабазовым кембрийским толщам Присонкулья (хр. Каракатты, Сонкультау и Караджого) приурочены довольно мелкие линзовидные серпентиновые и габброидные интрузивные тела, а на северном склоне Караджогского хребта можно наблюдать довольно крупный (7х3,5 км) габбровый массив. Возраст этих интрузий определяется как раннекембрийский. Более молодые отложения (средне- и верхнеордовикские) представлены песчаниками, вулканитами, известняками и глинистыми фациями. В расположенных севернее районах (хр. Терскей-Алатау) ордовикские отложения обогащены вулканогенным материалом. Кровля нижнепалеозойского разреза образована грубообломочной верхнеордовикской континентальной молассой: гравелитами и красноцветными песчаниками с базальным конгломератом в основании. В породах позднего ордовика присутствуют эффузивы и туфы, в них внедряются каледонские гранитоиды и формируются крупные батолиты – Кунгейский, Сусамырский и др.

Второй тип разреза имеет океанское происхождение и представлен, в основном, вулканическими породами. Он был сформирован между Муюнкумским, Сырдарьинским и Каратау-Таласским массивами и прослеживается от западной части Киргизского хребта к району озера Сон-Куль и верховьям реки Нарын. Эта зона имеет сложное строение и характеризуется наличием офиолитового нижнепалеозойского комплекса и островодужных андезито-базальтовых вулканитов, смещенных разрывами и разобщенных выходами гранитоидов. Офиолитовый комплекс представлен гипербазитами, подушечными базальтами, туффитами, габброидами в составе массивов с параллельными дайками диабазов, а также кремнями и кремнистыми известняками. Островодужные образования сложены базальтами, андезитами, дацитами, туфами, в том числе риолитовыми, а также известняковыми отложениями с мелководной фауной конца раннего или начала среднего кембрия. Общая мощность данных слоев островодужной постройки составляет около 2000 м. В конце ордовика, в результате коллизии, эти слои были смяты, что привело к образованию гранит-гранодиоритовой формации Северного Тянь-Шаня, обладающей весьма сложной структурой. Смятые в складки слои смещены по более поздним, в том числе позднепалеозойским разрывам, а структура этого комплекса перестраивалась, и не один раз, более поздними движениями, вплоть до кайнозойских. Это привело к возникновению тектонических покровов, надвиговых пластин с различным общим наклоном, тектонических чешуй, состоящих, в том числе, из серпентинового меланжа, т.е. тектоника данной зоны имеет чешуйчато-надвиговый характер. Несмотря на неоднократные преобразования офиолитового комплекса, коллизионный гранитоидный магматизм в нем практически отсутствует. Это может быть связано с тем, что к концу ордовика данный массив являлся, возможно, внешней зоной каледонского пояса.

Отложения нижнего силура не развиты и обнаружены лишь в китайской части Северного Тянь-Шаня.

Орогенный комплекс

Начиная с верхнего силура, Северный Тянь-Шань вступил в орогенный этап развития. Верхнесилурийские и девонские отложения либо отсутствуют, либо представлены красноцветной молассой, в основном верхнедевонской, но сильно развиты вулканно-плутонические образования. Девонские вулканические толщи представлены андезитами, дацитами, риолитами и щелочными породами – лейкогранитами, щелочными риолитами и базальтами. Осадочный чехол Северного Тянь-Шаня начинается отложениями нижнего карбона, сложенными сероцветными песчаниками и конгломератами. Отложения среднего карбона содержат прослойки угля и покровы андезитов, верхний карбон не развит. В перми началась стабилизация складчатой области и переход ее в платформенное состояние, сопровождавшийся щелочным магматизмом. Пермский интрузивно-эффузивный комплекс сложен монцонитами, щелочными базальтами и базальтовыми порфиритами.

Платформенный комплекс

В триасе начинается платформенный этап развития каледонид Северного Тянь-Шаня, поэтому отложения триаса и юры не развиты и установлены лишь в бассейнах озерного типа (напр. в Леонтьевском (хр. Каратау)), где представлены темноокрашенными терригенными фациями и слоистыми донными отложениями, образовавшимися при осаждении глинистой и карбонатной мути, содержащейся в воде. Меловые и палеогеновые отложения заполняют межгорные впадины и сложены чередованием морских и континентальных осадков.

Комплекс новейшей активизации

Верхний кайнозой в Северном Тянь-Шане представлен мощными континентальными молассами. Четвертичные отложения слагают надпойменные террасы и представлены песками, супесями, суглинками, галечниками и включают в себя лессовые толщи и моренные отложения.