一、区域地层
西天山地区地层出露较齐全，建造类型多样，成矿条件有利。其中志留系、泥盆系、石炭系及二叠系是区内主要地层，与金及有色金属成矿关系密切。
（一）基底及含矿性
太古宇和元古宇组成本区变质基底。太古宇仅分布于巴仑台一带，元古宇在多处均有分布。赛里木一带分布有中元古界蓟县系库松木切克群中—浅变质碎屑岩-碳酸盐岩建造，是层控型铅锌矿（阔托尔汉布拉克银多金属矿）和斑岩/矽卡岩型铜矿（喇嘛苏铜矿）的重要含矿层位。
（二）盖层及含矿性
寒武系主要分布于果子沟一带，为海相碳酸盐岩建造，其下部为重要的磷铀钒矿含矿层位。奥陶系主要为笔石相碎屑岩-碳酸盐岩建造，但在博罗霍洛山一带分布中奥陶统双峰式火山岩建造，是块状硫化物型铜矿含矿层位。志留系为一套笔石相碎屑岩、碳酸盐岩和火山碎屑岩建造，在望峰一带上志留统-泥盆系碎屑岩中发现望峰和萨日达拉蚀变岩型金矿。泥盆系主要为海相及海陆交互相碎屑岩、火山岩、火山碎屑岩建造，在西南天山一带中—下泥盆统为沉积-改造型铅锌矿、海相沉积型石膏矿以及锰矿的含矿层位。石炭系是区内分布最广泛的地层之一，不仅是金、有色金属矿产的主要含矿层位，而且也富含铁、锰、铝土、石膏等沉积矿产。主要为一套海相中酸性火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩及碳酸盐岩建造，在博罗霍洛西段发育陆相火山岩建造。在西天山地区下石炭统中酸性火山岩-火山碎屑岩建造中已发现陆相火山热液型金矿（如阿希金矿）、海相火山喷气-沉积型铁一铜、铜、铅锌、铜锌、锰等矿产（如查岗诺尔铜铁矿、式可布台铁矿、胜利铜锌矿、欠哈布代克铅锌矿、莫托萨拉铁锰矿等）、海相沉积型锰矿（如加曼台锰矿等）。二叠系主要为一套陆相火山岩、碎屑岩建造，下二叠统陆相火山岩是西天山地区重要的火山岩型铜矿、铜银矿（如群吉铜矿、穹布拉克铜矿、艾肯达坂铜银等）的含矿层位。三叠系为陆相碎屑岩。侏罗系主要为一套碎屑岩建造，下统为湖沼相含煤碎屑岩建造，是新疆的主要产煤、铀矿层位，并且有沉积铁矿。白垩系为陆相碎屑岩，可能成为斑岩型铜矿含矿层位。第三系为陆相红色碎屑岩。第四系主要分布于山间盆地、河流、沟谷中，为陆相冲积、洪积、冰积等碎屑堆积，部分地区含有砂金矿。
二、岩浆岩及含矿性
（一）侵入岩及含矿性
中、新元古代基性-超基性杂岩形成铜镍硫化物矿床，如那拉提岛弧带中的菁布拉克铜镍矿床；加里东期和华力西期，尤其是华力西期花岗岩类侵入体发育，多形成斑岩型铜（钼）矿、接触交代（矽卡岩）型铜（铁、钼）矿及多金属矿，如喇嘛苏铜矿床、群吉铜矿床、莱历斯高尔钼铜矿、肯登高尔铜钼矿、东图津多金属矿等；由于岩浆带的生成，可促使地层中的金活化转移至有利部位富集，形成矿化。
（二）火山岩及含矿性
伴随岩浆活动带中的火山作用，产生相应的矿化。志留纪中—基性或中酸性火山熔岩-火山碎屑岩建造主要发育火山热液型铜矿化，如艾木斯尕依铜铁矿点等；在晚古生代火山岩-火山碎屑岩建造中，矿化主要为金、铜、铅锌。其中，中泥盆世为火山热液型铜矿化，如柳树沟铜矿、萨热塔克依铜矿点；石炭纪为火山岩型金、铅锌、铜、铁铜矿化，如阿希金矿床、查岗诺尔铜矿床、欠哈布代克铅锌矿、式可布台铁矿等。二叠纪主要发育火山热液型铜矿化，如穹布拉克铜矿。除此之外，尚有许多与火山作用有关的热液型和矽卡岩型多金属矿床等。
（三）变质作用与成矿
1.前寒武纪变质岩与成矿
前寒武纪变质岩主要分布于赛里木湖、那拉提及巴仑台一带，以中压相系低角闪岩相变质岩为主，属区域动力热流变质作用产物。其中，古元古界主要为中压相系低角闪岩相变质岩，属区域动力热流变质作用产物，少量为绿片岩相，属低压相系型区域动力热流变质作用产物，常形成铁、石墨矿化等，如昭苏县艾登格尔受变质沉积型铁矿、温泉县苏普别真沉积-变质型石墨矿。
2.华力西早期变质岩与成矿
在哈尔里克山、依连哈比尔尕一带，主要为绿片岩相、葡萄石-绿纤石相变质岩，已发现拜城县库鲁克申台大型沉积-接触变质型红柱石矿床。
（四）构造与成矿
1.断裂构造与成矿
区内断裂构造极为发育，主要有NW向、NE向和近EW向三组。
艾比湖-依连哈比尔尕断裂：断裂呈NWW向延伸，长约420km，形成于石炭纪末。中新生代历经多次复活，当前仍在活动，成为天山北侧地震多发区。该断裂控制了其北盘的铬、金、铁、铜成矿带。
尼勒克断裂：断裂走向NWW向，西端延出境外，东端与那拉提断裂复合，总长450km左右，总体S倾，为压扭性逆冲断裂。中西段为博罗霍洛岛弧带与阿布热勒弧后盆地分界线，东部为博罗霍洛岛弧带与那拉提-巴仑台岛弧带分界线。该断裂形成于早古生代，晚古生代是其强烈活动时期，沿断裂上侵石炭纪侵入岩，断裂带南侧发育断陷盆地。该断裂控制了其北盘金及多金属成矿带。
那拉提断裂：断裂走向NEE向，西起中-哈边境，向东与尼勒克断裂复合，全长450km左右，断裂面S倾，倾角大于50°，是那拉提-巴仑台岛弧带与哈尔克山一硫磺山沟弧带的分界断裂，形成于晚加里东—早华力西期，具有韧性剪切特征。该断裂控制了其内的铜镍成矿带。
此外，本区还发育有数条韧性剪切带，其中，冰达坂韧性剪切带内分布有与其有关的望峰金矿和萨日达拉金矿等。
2.褶皱构造与成矿的关系
区内褶皱构造主要有复背斜、隆起、坳陷三种，在宏观上控制了区域矿产的分布，并在其轴部或其他薄弱部位通过断裂-岩浆系统形成矿化集中区。其中，重要的褶皱构造有：依连哈比尔尕复背斜主要形成于石炭纪蛇绿岩、石炭纪—二叠纪侵入岩及早石炭世基—中性火山岩有关的铬、铂、金、银、铜、镍、铅、锌等矿产；阿拉套复背斜主要形成与石炭纪—二叠纪侵入岩相关的高温热液型钨、锡矿床及接触交代型铁、铜矿床；赛里木隆起主要形成钨、锡、钼、金、磷、铁和稀有金属矿产；博罗霍洛复背斜是形成浅成热液型、斑岩型、矽卡岩型金、铜、铅、锌、钼、钨、铁等矿产的有利区带；伊犁山间坳陷是形成斑岩型、火山沉积型铁、铜、钼矿产的有利地段；巩乃斯拗褶是形成与石炭纪火山岩有关的铁、铜和与陆源碎屑岩有关的锰矿有利地段；那拉提隆起主要形成岩浆熔离型铜镍矿。