El parque se encuentra en la última estribación de las cordilleras Béticas. A pesar de contar con una altura máxima relativamente modesta, 753 metros, su cercanía al mar (apenas unos centenares de metros) causa un abrupto descenso y un importante impacto visual en el visitante. El macizo está formado por materiales cretácicos, abundando las margas y calizas. Se puede destacar su cueva principal: la Cueva del Agua, cueva aprovechada por los romanos para abastecer de agua a un retén del ejército del imperio romano. También fue aprovechada por los árabes, los cuales llegaron a construir una especie de presa para almacenar el agua e incluso acequias para distribuirla. En el Montgó, dado su carácter cárstico existen muchas más cavidades (Cueva del Gamell, Cueva de la Higuera, etc.). El parque presenta un típico clima mediterráneo, con inviernos suaves e incluso fríos dependiendo de la altitud, y veranos calurosos y secos. Las precipitaciones son escasas, concentrándose sobre todo en la primavera y otoño, habiendo período seco en verano. Pocas veces se presentan en forma de nieve en la sierra.