Жетісу Алатауының құрылымы кембрийге дейінгі жыныстар мен палеозой жыныстарынан тұрады. Оның жоталары кембрийге дейінгі граниттер мен кристалды тақтатастардан түзілген. Каледон қатпарлығында алғаш көтерілген Жетісу Алатауының солтүстік және солтүстік-батыс бөліктерінде силур мен девон құмтастары мен сазды тақтатастардан тұратын негізгі жыныстармен бірге палеозой шөгінділері де мол. Таудың оңтүстік және оңтүстік-батыс бөліктерінде жоғарғы палеозойдың жыныстары көп. Олар карбон мен пермьнің құмтастары мен тақтатастарынан, әктас пен конгломераттардан түзілген. Тау аралық аңғарлар мен қазаншұңқырларда, тау етектерінде палеоген мен неоген шөгінділері кездеседі.
Жетісу Алатауы каледон мен герциндегі тау түзілуі кезінде қатпарлы тауға айналса, ал мезозой мен төменгі кайнозойда сыртқы күштің әсерінен мүжіліп, аласарып тегістелсе, кейінгі Альпі қатпарлығының күшті болуына байланысты қатпарлы-жақпарлы биік таулы өлкеге айналған. Жер бедерінің қалыптасуына ертедегі және осы күнгі мұз басулар да ықпал жасаған. Мұз басудың ізі әр жерде-ақ байқалады. Ағысы қатты болғандықтан өзендердің табан эрозиялық әрекеті де күшті, сондықтан өзен аңғарлары шатқалды, құзды болып келеді.
Климаты
Жетісу Алатауы мұхиттардан алыс орналасқан. Оның климатына Арктиканың суық ауасы мен Тұранның ыстық ауасы әсер етеді. Тау етегінде неғұрлым кұрғақ, континентті климат болып келеді. Биік тау беткейлерінде климат қоңыржай: қысы суық, жазы қоңыр салқын, ауаның орташа температурасы қаңтарда -10°-11°С, шілдеде 18°-20°С. Жауын-шашынның жылдық мөлшері 600-800 мм, оңтүстік-шығыста - 400 мм. Қыста қар көп түседі, тау бастарында мұздықтар калыптасқан.
Жетісу кақпасынан Ебі желі соғады. Ол Барлық, Майлы жоталарынан соғатын циклон мен Жетісу қақпасының оңтүстік-шығысы арқылы өтетін антициклонның түйісуінен болады. Ебі желі - жылы жел, жылдамдығы 60-80 м/сек. Көбіне 1-2, кейде 3-7 тәулік бойы соғады. Осы қақпа бойымен Сайқан тауы жағынан сәуір, қыркүйек айларында Сайқан суық желі соғады.