В строении герцинских структур различаются складчатые комплексы геосинклиналей и срединных массивов. Геосинклинальные комплексы Срединного Тянь-Шаня (Майдантальский, Пскемский, Угамский хребты и др.) сложены красноцветными и карбонатными породами девона и карбона, смятыми в линейные складки северо-восточного простирания, а также магматическими образованиями (гранодиорит-граниты карбона, аляскитовые граниты, сиенит-диориты и монцониты перми). В строении складчатых комплексов срединных массивов (Каржантау, Кураминский хребтов, а также горы Букантау, Северной Тамдытау) участвуют наземные вулканогенные породы карбона и перми, карбонаты девона — нижнего карбона, многочисленные интрузии — гранодиориты среднего карбона и сиенит-диориты верхнего карбона — перми, образующие крупные брахискладки и вулкано-тектонические структуры. Геосинклинальные складчатые комплексы Южного Тянь-Шаня (хребты Зеравшанский, Туркестанский, Нуратау, Кульджуктау, а также горы Южной Тамдытау, Луминзатау, Султануиздага) представлены карбонатными породами девона, нижнего карбона, флишем среднего карбона, молассой перми, интрузиями гранитов, гранодиоритов, сиенитов верхнего карбона — нижней перми. На З. герцинские складки Южного Тянь-Шаня разделяются на 2 ветви: северная ветвь приобретает меридиональное простирание и, возможно, соединяется с герцинидами Урала; южная — субширотное, вероятно, сочленяется с герцинидами Донбасса.
В строении межгорных впадин (ферганская, Ангренская, Приташкентская) участвуют мезо-кайнозойские платформенные образования (песчано-глинистые, иногда угленосные, красноцветные, соленосные, моласса). Многие районы восточной (горной) части У. отличаются повышенной сейсмоактивностью.
Туранская плита включает плато Устюрт, Бухаро-Хивинскую и Сурхандарьинскую депрессии и Центральнокызылкумское поднятие, разграниченные глубинными разломами. Фундамент Туранской плиты сложен докембрийскими кристаллическими сланцами; осадочный чехол — толщей преимущественно терригенных, карбонатных и соленосных осадков (карбон — антропоген). В наложенных прогибах, образовавшихся вдоль Южно-Тянь-Шаньского глубинного разлома, залегают вулканогенно-осадочные и флишоидно-молассовые отложения карбона с интрузиями гранитоидов. В Центральнокызылкумском поднятии фундамент представлен герцинидами Южного Тянь-Шаня, а маломощный осадочный чехол — терригенно-карбонатными отложениями мела и палеогена.
У. богат различными полезными ископаемыми. С магматическими образованиями Срединного Тянь-Шаня связаны месторождения висмутовых руд (Устарасайское); с сиенит-диоритами — меднопорфировые (Алмалыкское); с карбонатными породами — полиметаллические (Кургашинкан, Учкулачское); с вулканогенными — золоторудные (Гузаксай, Кочбулакское, Каульды). К гранитоидам Южного Тянь-Шаня приурочены Ингичское, Койташское и Учатское месторождения вольфрама. В ферганской впадине, в продуктивных толщах перми, юры, мела, палеогена и неогена разрабатываются залежи нефти (Южный Аламышик, Андижан, Палвакташ и др.), в Ангренской — бурого угля. В докембрийских образованиях Центральных Кызылкумов располагаются месторождения золота (Мурынтау, Кокпатас и др.), в отложениях карбона — мрамора (Аманкутан, Газган). В наложенных прогибах Туранской плиты имеются крупные месторождения каменных и калийных солей (Тюбеганское), каменного угля (Шаргуньское), колчеданно-полиметаллических руд (Хандизинское). Крупные залежи газа сосредоточены в Бухаро-Хивинской депрессии (Газли, Джаркак, Караулбазар-Сарыкташ, Уртабулакидр.) и на плато Устюрт (Шахпахты). В У. имеются также промышленные месторождения нерудного сырья: плавиковый шпат, полевой шпат, графит, озокерит, сера, кварц, известняк, гипс, строительные камни, бентонитовые глины, поделочные и полудрагоценные камни (бирюза, гранат, лиственит, оникс, яшма, родонит и др.). У. располагает многочисленными термальными источниками (Ташкентский, Чартакский и др.), используемыми в бальнеологических целях, и крупными артезианскими бассейнами (ферганский, Каршинский и др.).
Климат . У. характеризуется чертами континентального субтропического климата — продолжительным сухим знойным летом, прохладной влажной осенью и нехолодной малоснежной зимой. Зимний период в равнинных и низких предгорных районах от 1,5—2 мес на крайнем Ю. до 5 мес на крайнем С. (на Устюрте). Средняя температура января около —8 °С (станция Чурук на Устюрте), на крайнем Ю., в Термезе 2,8 °С, в Шерабаде 3,6 °С. Абсолютный минимум температуры —37 °С (станция Чурук). Средняя температура июля в северных районах до 26 °С, на Ю. более 30 °С; на высоте 3000 м около 10 °С, местами превышает 15—16 °С. Абсолютный максимум температуры для равнинных и предгорных районов 42 °С. Летом в дневные часы на поверхности почвы температура доходит до 60 °С, а в песчаной пустыне до 70 °С. Наименьшее количество осадков выпадает в равнинной части — 80—90 мм в год. К В. и Ю. с увеличением высоты количество осадков растет сначала медленно, затем, по мере приближения к горным хребтам, всё быстрее и достигает, а местами превосходит 890—1000 мм в год. Свыше 70% осадков выпадает в зимнее (в виде дождя и снега) и весеннее время. Снежный покров образуется почти ежегодно, но на равнинах и в предгорьях он часто неустойчив, держится всего несколько дней. Мощность его колеблется от нескольких сантиметров на З. (в равнинных и предгорных частях) до 60—80 см на В. (в предгорьях и горах), местами в горных районах превышает 100 см. В зимнее время на равнинах У. преобладают ветры северо-восточный, восточный и юго-восточного направлений. Летом господствуют северо-западный, северный и северо-восточный ветры. В горах возникают горно-долинные и склоновые ветры.