La sierra de Gata está comprendida entre la frontera portuguesa y la divisoria oriental del valle del Árrago. Constituye una alineación de escasa altitud, con la cota máxima en torno a los 1.519 m sobre el nivel del mar.
Los relieves modelados por la erosión sobre el granito corresponden a asociaciones de formas derivadas y penioriginales debido a la alteración química en profundidad, lo que genera un diaclasado de los putones que proporcionan formas típicas de berrocal, pedrizas y lanchares graníticos, con microformas (pilancones, sillas, pedestales, rocas caballeras, setas, etc.) mesoformas (bolos, dorsos de ballena, losas, etc.) y macroformas (domos o bornhardt, castillos pétreos o tors, colinas, horst tectónicos, crestas y aristas).
Aparecen siempre que alternen roquedos de distinta resistencia: duros (cuarcita) y blandos (pizarras), actuando la erosión de forma selectiva o diferencial. Está caracterizado por la isoaltitud de las enhiestas cresterías cuarcíticas, separadas por vallonadas pizarreñas o por una densa red de regueros y pequeños valles de la penillanura (originados en el ciclo alpino), con clásicos paisajes de abombamiento o cabezos suaves separados por surcos.
De manera general, la comarca de sierra de Gata se encuadra en la zona de clima templado contrastado de transición (tercer cinturón desde el ecuador), típico de la región mediterránea (40º de latitud norte), con lluvias invernales, sin estación fría pero con heladas ocasionales y una larga sequía estival.
La temperatura media anual se aproxima a los 15º C en el llano y 13º C en la sierra, con ciertos matices continentalizados (amplitud térmica media anual que sobrepasa los 17º C) que originan el descenso de las temperaturas absolutas por debajo de los 0º C en invierno, y la elevación por encima de los 40º C en verano.
La vegetación potencial de la zona es el robledal de roble melojo o rebollo y el alcornocal-encinar en zonas bajas, que han sido muy degradados a lo largo de la historia. De este modo, la superficie forestal está principalmente formada por masas de robledal, en especial en los valles occidentales; alcornocales y encinares fragmentados; pequeñas superficies de castañares cultivados; extensos brezales en zonas más altas debidos a la deforestación del robledal, que se mantienen o incluso aumentan por la persistencia de los incendios forestales; y cultivos de pino resinero (Pinus pinaster) en zonas de robledal y alcornocal, principalmente de los valles orientales, fruto de la política forestal de las últimas décadas del siglo XX, muy afectados por los incendios y que han tenido escasa rentabilidad. Por otro lado, la superficie agrícola está compuesta por prados ganaderos, olivares y cerezales.
Por lo que resepcta a la fauna de la región, destaca la presencia del buitre negro y del lince ibérico. De buitre negro hay una destacada colonia en el valle del Árrago formada por más de 50 nidos, lo que la convierte en la tercera de Extremadura tras Monfragüe y la Sierra de San Pedro. La población de lince está presente en toda la comarca, donde ocupa preferentemente las zonas de matorral denso. Otras especies protegidas que habitan en la sierra de Gata son la cigüeña negra, el águila real, el halcón peregrino, el alimoche, el aguilucho cenizo, todas las rapaces forestales extremeñas (alcotán, azor, gavilán, halcón abejero, águilas culebrera y calzada, ratonero, milanos real y negro) y todas las rapaces nocturnas extremeñas (búho real, cárabo, mochuelo, búho chico). Un caso aparte es la presencia de lobo, constatada en años anteriores y sin confirmar a lo largo de los primero años de la década de 2000.
La sierra de Gata abarca 18 municipios: Acebo, Cadalso, Cilleros, Descargamaría, Eljas, Gata, Hernán Pérez, Hoyo, Perales del Puerto, Robledillo de Gata, San Martín de Trevejo, Santibáñez el Alto, Torrecilla de los Ángeles, Torre de Don Miguel, Valverde del Fresno, Villamiel (Trevejo), Villanueva de la Sierra y Villasbuenas de Gata.