古生代以来（最早距今5亿年），新疆只有被海水包围的塔里木和准噶尔两个陆快，随着古生代的地壳运动，海水逐渐退去，大约在新生代第三纪末（距今约100万年），周围海底隆起，形成阿尔泰山、天山和昆仑山系，而稳定的塔里木和准噶尔陆台，称为群山包围的盆地。
阿尔泰山位于新疆最北部，延伸于中国与蒙古、俄罗斯边界，是中国与蒙古、俄罗斯、哈萨克斯坦的界山。总长近2000公里。阿尔泰山，蒙语的意思是“金山”。有谚语称道“阿尔泰山七十二条沟，沟沟有黄金”。
中国境内的阿尔泰山脉分布于额尔齐斯河以北，东段在蒙古境内，在新疆境内山段属山脉南坡，呈西北至东南走向，长约500公里。山势较低，山脊线海拔约3000米，主要有阿勒泰市及青河县境内的阿尔泰山，奇台、木垒哈萨克自治县北部的北塔山和青河县南部的阿尔曼特山，最高峰友谊峰海拨4373米，位于中、俄、蒙三国边界；阿尔泰山处于湿润的西风气流迎风面，降水较多森林部，草场繁茂，有着优良的草场、是新疆畜牧业生产重要基地。阿尔泰山雨雪丰富，森林密布，草原繁茂。冬季，这里一片冰雪世界，有着开展雪上运动的绝佳场所；夏季，气候凉爽宜人，连绵的绿色森林，一望无际的碧绿草原，再加上一片片花海，构成了一幅美丽的画卷。自然景观与天山以南很不相同。
横亘新疆中部的天山山脉，峰峦重叠、气派雄伟，呈东西走向，分隔准噶尔、塔里木两面大盆地，总长2500公里，是亚洲高大山系之一。天山山脉西段在哈萨克斯坦和吉尔吉斯境内，新疆境内的为中、东段长约1700公里，宽200—300公里，由三列平行的褶皱山脉组成，山势细高东底，山体宽广，山脊线海拔4000米以上。北脉有阿拉套山、科古琴山、婆罗科努山、博格达山等；中脉有阿拉喀尔山、那拉提山、艾尔温根山等；南脉有科克沙尔山、哈尔克山、贴尔斯克山、科克铁克山、霍拉山等。海拨5000米以上的山峰有托木尔峰（7435米是天山山脉的最高峰）、汗腾格里峰（6995米）、博格达峰（5445米）。天山有发育良好的森林、草原和冰川，景观壮丽。天山分布着6890多条大小冰川，是天然的固体水库。天山的融冰化雪，汇集成二百多条河流，滋润和灌溉着天山南北的广阔绿洲。在丛山峻岭之间，分布着一个个盆地、谷地。著名的有哈密盆地、吐鲁番盆地和伊犁谷地，土地肥沃，水草丰茂，形成了良好的山区天然草场。
新疆南部的昆仑山系分布于塔里木沙漠南缘，自西向东包括：中国境内的帕米尔高原，新疆与克什米尔间的喀喇昆仑山及主要在新疆、西藏间的昆仑山脉；北支还有阿尔金山，东北延伸接祁连山。昆仑山脉山势高耸巍峨，平均山脊线海拔超过5000米，最高的乔戈里峰海拔8611米，位于中国与巴基斯但边界上，为世界第二高峰。昆仑山系有7000米以上高峰10多处，如公格尔峰海拔7719米，公格尔九别峰7595米，号称“冰山之父”的慕士塔格峰7546米，均在阿克陶县境内。阿尔金山山势较低，最高峰在且未县东南，海拔6303米。中国第一大冰川音苏盖提冰川，也分布于昆仑山系。
昆仑山盛产和田玉，体如凝脂，温润光洁，贵重超群。尤其是昆仑中的羊脂白玉，举世无双。昆仑山峰峦起伏，林深古幽，景色秀丽，每逢春夏之交，满山碧树吐翠，鲜花争奇斗艳，使昆嵛山更具风韵。喀喇昆仑山脉是一条走向与旁遮普·喜马雅山（大喜马拉雅山脉的一部分）相平行的大山脉。它延伸约400公里，通过印度和巴基斯坦北部。除了极地，这条山脉的冰川比世界上任何地方都要多和长。最大的冰川斯帕·比亚福冰川（长100公里），途经伊斯帕山口。屹立于冰川上面的是高峰，其中K2峰是世界第二高峰（8610米）。喀喇昆仑山脉的一部分以及典型的参差不齐的白雪覆盖的山峰。有时它也被称为“凶险的山”，因为己有许多人在试图征服它的过程中，而丧生于这里。喀喇昆仑山脉总共有19座山超过7260米。诸山峰通常具有尖削、陡峻的外形。其周围簇拥着数以百计的石塔和尖峰。这些山脉是山羊、羚羊、狼、褐熊以及稀有的雪豹的家园。
新疆境内这些连绵起伏的雪岭冰峰，形成了新疆发达的冰川。自治区共有大小冰川1.86万多条，面积达24万多平方千米，占中国冰川总面积的42%，这些被称为“固体水库”的冰川为新疆提供比较稳定的水源。新疆亦有许多河流发源于其间，其中全长2l3千米的塔里木河是中国最长的内陆河，而中国惟一属北冰洋水系的河流额尔齐斯河出自阿尔泰山脉。
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