Está constituida por rocas arcaicas y mesozoicas. Una fosa por donde fluye el río Chama, derivada de los movimientos de la corteza terrestre y con la misma dirección de la cordillera, la divide en dos sierras mayores: la sierra Nevada de Mérida, que alberga la cumbre máxima de Venezuela (pico Bolívar, 5.007 m) además de pequeños glaciares, y que se continúa en la sierra de Santo Domingo; y la sierra del Norte o cordillera de la Culata (Piedra Blanca, 4.658 m). Ambos ramales se unen en el páramo de Mucuchíes. Otro núcleo cristalino, la sierra de Tovar, situada al suroeste, marca el alineamiento montañoso. Algunos tramos presentan valles transversales profundos formados por los grandes ríos (Chama, Mocotíes), con laderas casi verticales y depresiones generalmente longitudinales. Los ríos, a su vez, formaron terrazas, muchas de ellas aprovechadas para asentamientos humanos y actividades agropecuarias, en un territorio mayoritariamente montañoso, donde la escasa existencia de tierras planas o con pendientes suaves dificultan la ocupación humana.

Los ríos de la pendiente occidental desembocan en el lago de Maracaibo (Chama, Mucujepe, Onia, Frío) y los de la oriental pertenecen a la cuenca del Orinoco (Caparo, Santo Domingo, Mucuchachí).

El clima está determinado por niveles de vegetación y altitud similares denominados pisos climáticos, generalmente isotérmicos (mantienen la misma temperatura), donde existen todos los tipos de plantas: tierras calientes, hasta los 1.000 m, 27 ºC, bosque o selva tropical; tierras templadas, hasta los 2.800 m, entre 12 y 20 ºC, selva mixta; tierras frías, hasta los 3.800 m, entre 5 y 11 ºC, vegetación escasa y dispersa; y el páramo, desde los 3.800 hasta los 5.000 m, entre 0 y 5 ºC, especies muy adaptadas. Las precipitaciones, abundantes en las vertientes externas y escasas en las internas, oscilan, dependiendo con la altitud, entre los 1.600 y los 2.500 mm de promedio anual.