Северный Тянь-Шань располагается к северу от котловины оз. ИссыкКуль. Сюда входят Тарбагатай и Саур, Чуилийские горы, Джунгарский, Заилийский Алатау и Кунгей-Алатау.
Хребты Тарбагатай и Саур расположены между Алакольской и Зайсанской впадинами. Они занимают пограничное положение между горами Южной Сибири и Средней Азии.
Хребет Тарбагатай имеет почти широтное простирание, максимальные высоты его достигают 2991 м. Склоны хребта глубоко расчленены ущельями. Южный склон круче северного. Водораздельный гребень уплощен и прижат к южному склону.
Хребет Саур располагается в пределах крайней, восточной части Тарбагатая. Он также имеет широтное простирание. Средняя высота — 3000 м, большая его часть с максимальными высотами и вершиной Музтау (3816 м) находится на территории Китая. Хребет резко асимметричен: южный его склон крутой (шириной до 10 км), а северный более пологий (шириной до 20—25 км). Водораздельные пространства хребта представляют собой плоские поверхности древней денудации, склоны же сильно расчленены. В верховьях долин расположены цирки и кары.
Джунгарский Алатау расположен на юго-востоке Тянь-Шаня. От хребта Тарбагатай он отделен озерами Алаколь и Сасыкколь, а от хребтов Барлых и Майли, находящихся на территории Китая, — Джунгарскими воротами. Джунгарский Алатау протягивается с запада-юго-запада на востоксеверовосток примерно на 400 км. Он представлен в основном двумя хребтами: Северо-Центральным, или Главным, который с северной стороны сопровождается невысокими и короткими передовыми цепями, и Южно-Центральным, состоящим из хребтов Токсанбай, Бежинтау и Тышкантау. Хребты разделены глубокой межгорной впадиной, которая в западной части занята долиной р. Коксу, а в восточной — долиной р. Бороталы. Водоразделом этих рек является перемычка, соединяющая хребты. Высоты хребтов превышают 4000 м, достигая 4464 м в северной цепи и 4359 м — в южной.
Для рельефа Джунгарского Алатау характерны древние поверхности выравнивания, которые находятся на высоте 3000 — 4000 м. К западу Джунгарский Алатау постепенно понижается и распадается на ряд коротких хребтов, которые расходятся веерообразно.
Джунгарский Алатау отделен от южнее расположенных хребтов Заилийского Алатау широкой межгорной депрессией, занятой долиной р. Или. Депрессия вытянута в широтном направлении, и общее ее протяжение — около 600 км. Западная часть депрессии лежит в пределах России, а восточная — в пределах Китая. От  р. Или меняет свое направление на северозападное и прорезает плато Карой, которое является связующим звеном между Чуилийскими горами и западными отрогами Джунгарского Алатау.