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.
Оледенение. На территории У. небольшие ледники имеются в верховьях Кашкадарьи (Северцова и Батырбай) и в бассейне р. Пскем (47 ледников). Важную роль в питании рек У. играют ледники верховьев Нарына и Карадарьи (составляющих Сырдарью), многочисленные ледники Алайского и Туркестанского хребтов и мощное оледенение Памира.
Внутренние воды. Характерно крайне неравномерное распределение рек по территории У. Особенно бедна ими равнинная часть. Выходя на равнины, реки теряют свои воды на орошение, инфильтрацию, испарение и, постепенно иссякая, часто кончаются слепыми устьями. В горах — разветвленная речная сеть. Энергетические ресурсы составляют 7,1 млн. квт в год с возможной выработкой 107 млрд. квт×ч. Все реки принадлежат бассейнам Амударьи и Сырдарьи . Большинство рек имеет снегово-ледниковое питание с максимальными расходами в июне. С водосбора Амударьи в среднем ежегодно в равнинные пространства стекает 79 км3 воды — всего стока, образующегося в пределах горной области Средней Азии, из них в горной области У. формируется около 6 км3 , или 8% общего стока рек бассейна Амударьи. Важнейшая река У. — Сырдарья. Сток её равен 38 км3 , в том числе около 4 км3 (10%) формируется в пределах У. Большая часть притоков Сырдарьи полностью разбирается для орошения и не доносит своих вод до реки.
Озёра расположены главным образом в долинах и дельтах крупных рек и по периферии орошаемых оазисов. Наиболее крупное озеро — Аральское море . Имеются искусственные озёра-водохранилища: Каттакурганское, Кайраккумское, Чардаринское, Куюмазарское, Касансайское, Тюябугузское («Ташкентское море»), Чарвакское и др.
Почвы. В Кызылкуме преобладают песчаные почвы, на внутренних останцовых массивах и древних конусах выноса — серо-бурые почвы, в понижениях — такыры и такырные почвы. В поясе предгорий и низких гор — серозёмы: светлые (от 250 до 400 м ), типичные (400—700 м ), тёмные (700—1200 м ). В средневысотном поясе (1200—2800 м ) — коричневые и бурые горно-лесные почвы, в высокогорьях (свыше 2800 м ) — светло-бурые лугостепные. Среди перечисленных автоморфных почв на слабо-сточных предгорных равнинах и речных долинах встречаются гидроморфные почвы — солончаки, луговые, лугово-болотные и болотные, а также полугидроморфные (с некоторыми признаками автоморфных и гидроморфных почв) — серозёмно-луговые и пустынно-луговые. В особый тип выделяются орошаемые почвы.
Растительность. Ландшафты пустынной зоны определяют растительные группировки с преобладанием ксерофильных полукустарников (преимущественно полыней и солянок), редкостойные группировки из древовидных маревых (главным образом саксаула), а также некоторые древовидные или кустарниковые псаммофильные бобовые, гречишные и др. Основные растения каменистых, или гипсовых, пустынь — полукустарничек биюргун, полукустарничковые полыни и солянки, кустарниковый саксаул, колючий кустарниковый вьюнок и курчавка. Растительность песчаной пустыни представлена песчаной осочкой, белым саксаулом, различными кустарниками из семейства гречишных, кустарниковыми астрагалами и солянками, песчаным злаком аристида, однолетними солянками и др. Для солончаковых и глинистых пустынь типичны чёрносаксаульники и заросли тамарисков. По долинам рек — тугайная растительность из древесных (тополя, ивы, лох), кустарниковых (гребенщики, дереза, галимодендрон) и травянистых (тростник, эриантус, вейники, верблюжья колючка, солодка, изредка дикий сахарный тростник) формаций. В пределах предгорного пояса различают: предгорную равнину (от 300 до 600 м ), низкие (600—900 м ) и высокие (900—1200 м ) предгорья. Для предгорной равнины характерны злаки мятлик луковичный и осочка пустынная. Много эфемеров из семейств крестоцветных, бобовых, злаков, бурачниковых, сложноцветных, зонтичных, губоцветных и др. На низких предгорьях, кроме того, часто встречаются многолетние длительно вегетирующие грубостебельные травы: колючая кузиния резиноза — каррак (ценный корм на зиму), псоралея (медонос), фломисы, эремурусы, ферула каратавская, катран и др. В высоких предгорьях — сухая разнотравная степь с крупными злаками — пыреем опушенным и ячменём луковичным, а также крупными двудольными — девясилом большим и алтеей голоцветковой. На хрящеватых почвах — кустарники: миндаль колючий, кустарниковая вишня, курчавки. В речных долинах — тополя, ивы. В среднегорном лесо-лугово-степном поясе на высоте 1200—1800 м основная растительность — ксерофильные, а на высоте 1800—2500 м — мезофильные арчовники. Местами небольшие участки яблоневых и ореховых лесов. В нижней части склонов — алыча, в долинах рек — тополя и ивы. В Западном Тянь-Шане — берёза. В высокогорном поясе от 2500 до 2700 м — типчаковые степи, встречается арчовый стланик из арчи туркестанской, выше, до 3000 м, — ляготисовые луга и нагорные ксерофиты (акантолимон, скорзонера, трагаканта). Лесопокрытая площадь составляет 2,7%.