天山林鼠最大可以长到15-23厘米。天山林鼠的皮毛紧密而柔软，头和背部呈深褐色，有些个体的头和背部呈暗锈红色，其它部位呈浅灰色或沙黄色。天山林鼠的尾巴非常奇特：上半部分呈黑褐色，下半部分为白色。天山林鼠的耳朵较大，后足相对较长，雌性有4个乳头。

天山林鼠是夜间啮齿类动物，它们使用植物材料在干燥的洞穴中筑巢。它们的尿液有助于使巢在一起。这样可以将巢穴保存数万年，其中一些可以追溯到最后一个冰河时代之前。由于天山林鼠的觅食范围有限，它们的巢穴由代表收集物料时当地环境的内容物组成。