Деревья достигают 60 метров в высоту. Диаметр ствола достигает 2 метров. Средняя продолжительность жизни около 250—350 лет. Кора коричневого цвета. Крона цилиндрическая или узко пирамидальной формы. Корневая система поверхностная. Помимо обычных корней есть якорные корни — такой корень, в отличие от питающих корней, наткнувшись в почве на крупный камень или выступ скалы, не отворачивает в сторону, а наоборот, растёт под него, загибается и таким образом заякоривает растение.

Иглы хвои расположены радиально, направлены вперёд, прямые или слегка изогнутые, в поперечном сечении ромбические.

Плод тянь-шанской ели — шишка. Шишки зелёного или фиолетового цвета, цилиндрической формы, длиной от 6 до 11 см, в диаметре 2,5—3,5 см. Размножается семенами, которые разносятся ветром. Созревают в сентябре — октябре. Начало       плодоношения происходит в возрасте от 10 до 60 лет (в зависимости от условий произрастания).

В отличие от других хвойных пород, в хвое тянь-шанской ели в зимнее время вырабатывается витамин С. Крона дерева имеет своё электромагнитное поле, иногда дающее светящиеся разряды.