Месторождение Мурунтау расположено в Тянь-Шане, среди древних осадочно-метаморфических образований.
Месторождение залегает в свите флишоидных алевролитов, песчаников и филлитовидных сланцев . Изверженные породы представлены дайками плагиогранит-порфиров, сиенит-порфиров, расположенными зонально. Наиболее протяженная (около 7 км) зона даек широтного простирания и крутого падения прослежена в средней части рудного поля. В ней отмечено более 30 даек.
В пределах рудовмещающей толщи широко развиты непротяженные тектонические трещины отслоения, отрыва и скола. К ним приурочены многочисленные прожилки кварца, кварц-турмалиновой брекчии, пирит-арсенопиритовые и кварц-пирит-арсенопиритовые жилы и прожилки. В морфологическом отношении месторождение представляет собой штокверк. В пределах штокверка выявлен ряд сложных залежей с прожилково-вкрапленным и жильным оруденением. Основная масса золота месторождения заключена в рудных залежах, где сочетаются круто- и пологопадающие кварцево-жильные и прожилковые зоны.
Секущие рудные зоны более богаты золотом. Они представляют собой серию параллельных кулисообразно расположенных кварцевых жил и кварц-сульфидных, кварц-турмалиновых и карбонатных прожилков. Иногда зоны секущих кварцевых жил осложнены повторными разрывами: контакты жил в этих случаях сорваны подвижками, кварц раздроблен и рассечен тонкими прожилками карбонатов, сульфидов, сетью тонких кварц-турмалиновых жилок.
Согласные жильные зоны, примыкающие к крутым «стволам», характеризуются более низким содержанием золота и более сложным его распределением. Состав руд сложный. Основной жильный минерал — кварц, в небольших количествах встречаются калиевый полевой шпат, биотит, кальцит, турмалин и альбит. Рудные минералы представлены пиритом и арсенопиритом, изредка отмечаются гнезда шеелита, в небольших количествах установлены сфалерит, галенит, самородный висмут.
Золото отмечается в жилах и прожилках крупно-среднезернистого кварца и сульфидов в ассоциации с пиритом, арсенопиритом, халькопиритом, сфалеритом, висмутином и самородным висмутом. Золото мелкое и дисперсное. В качестве примесей присутствуют серебро, медь, висмут, свинец, мышьяк, железо. В пределах рудного поля развиты контактово- и гидротермально-метасоматически измененные породы — ороговикованные породы с биотитом и актинолитом. На глубине интенсивность этих изменений увеличивается, что связано, вероятно, с воздействием глубокозалегающего гранитоидного интрузива. В пределах рудных зон кварц-микроклиновые метасоматиты образуют оторочки мощностью 2—3 см вокруг золотоносных кварцевых жил и прожилков. Процесс рудообразования на месторождении Мурунтау был сложным, многостадийным. Месторождение относится к рудной золото-кварцевой формации.