La Sierra Gorda se ubica en la región orográfica perteneciente a la vertiente del Golfo de México, con un relieve de origen sedimentario caracterizado por sierras altas con altitudes superiores a los 3,000 msnm y con amplios y profundos cañones labrados por los ríos Santa María, Extóraz y Moctezuma.
Está ubicada en la zona de transición entre el Neártico y la región Neotropical.
Dentro de la Sierra Gorda, se ubica la Reserva de la Biósfera Sierra Gorda que ocupa el 76.68% de la misma. Esta reserva es un área natural protegida que alberga miles de especies de plantas y animales, algunas de ellas protegidas y otras en peligro de extinción.
En la sierra se encuentran cinco misiones franciscanas de la Sierra Gorda declaradas Patrimonio de la humanidad por la UNESCO en el 2003.
Los contrastes naturales y paisajes que se observan en el área son variados encontrando semidesierto en Peñamiller, estado de Querétaro, localizado a altitudes de 1300 a 1700 msnm; ahí se inicia el ascenso al macizo montañoso de Pinal de Amoles también estado de Querétaro, el cual se eleva por encima de los 3000 msnm y constituye una barrera geográfica que, por provocar el efecto de sombra orográfica, determina las condiciones climáticas, biológicas y sociales de la Sierra Gorda. En este macizo encontramos bosques de coníferas, de encino, mixtos de pino-encino y algunos fragmentos de bosque mesófilo.
Posteriormente, se inicia el descenso y se llega finalmente a los valles en los municipios de Jalpan de Serra, Arroyo Seco y Landa de Matamoros en el estado de Querétaro, y pequeñas regiones en los estados de Hidalgo, San Luis Potosí y Guanajuato en donde se encuentra bosque tropical caducifolio combinado con cultivos.
Después de los valles aparece una pequeña cordillera que se eleva hasta los 1600 msnm y, luego, se vuelve a descender para llegar a una zona de lomeríos que terminan en las faldas de la Sierra Madre Oriental, la cual alcanza los 2900 msnm en los estados de Querétaro y San Luis Potosí, y en la que se encuentran extensiones importantes de bosques de coníferas, bosques mixtos y bosque mesófilo de montaña, así como un pequeño fragmento de selva mediana.
Debido a la naturaleza calcárea de la región, así como a la influencia de otros factores de tipo geológico, climático y geográfico, las rocas presentan procesos de disolución, determinando la presencia de distintas formas de relieve cárstico como son dolinas, simas, cavernas y poljés, entre otros. En la Sierra Gorda se encuentran más de 500 simas con diferentes profundidades, entre las que destacan el Sótano del Barro, con una longitud de 410 m de tiro libre, que lo clasifica como el tercero en su tipo a nivel mundial, así como el Sotanito de Ahuacatlán de 288 m (Lazcano, 1986). Asimismo, se presentan afloramientos de yacimientos fosilíferos del cretácico representados por conglomerados de conchas marinas.