歐洲西南部最大山脈。法國和西班牙兩國界山，安道爾公園位於其間。西起大西洋比斯開灣畔，東止地中海岸，長約435公裡。一般寬80～140公裡，東端寬僅10公裡，中部最寬達160公裡。海拔大多2000米以上。按其自然特徵，可分為3段：西比利牛斯山，從大西洋岸至松波特山口，大部分由石灰巖構成，平均海拔不到1800米，降水豐沛，河流侵蝕切割，形成山口，成為法國和西班牙之間的通道；中比利牛斯山，從松波特山口往東至加龍河上遊河谷，群峰競立，山勢最高，海拔3000米以上山山峰有5座，主要由結晶巖組成，最高點阿內托峰海拔3404米；東比利牛斯山，從加龍河上遊至地中海岸，也稱地中海比利牛斯山，由結晶巖組成的塊狀山地，有海拔較高的山間盆地。離地中海岸約48公裡處有海拔僅300米的山口，為南北交通要道。
比利牛斯山脈是阿爾卑斯山脈主幹西延部分，構造比較復雜，具有阿爾卑斯山脈特征，山體中軸由強烈錯動的花崗巖和古生代頁巖及石英巖構成，兩側為中生代和第三紀地層，北坡為礫巖、砂巖、頁巖等巖層交錯沉積所組成的復理層。第四紀冰期，東、中比利牛斯山冰川廣泛發育，冰蝕谷、冰蝕湖普遍分佈。現代冰川僅限於在海拔近3000米的冰鬥和懸谷內，北坡多於南坡，總面積約40平方公裡。
比利牛斯山脈北坡屬溫帶海洋性氣候，年降水量達1500～2000毫米，有山毛櫸和針葉林。南坡屬亞熱帶夏幹型氣候，年降水量500～750毫米，植被為地中海類型的硬葉常綠林和灌木林。比利牛斯山脈是法國的阿杜爾河、加龍河（屬大西洋水系）和西班牙的埃佈羅河（屬地中海水系）的分水嶺。河流一般春季融雪，為洪水期，冬、夏為枯水期。大西洋水系的河流，由於降水比較均勻，水位變化較小；地中海水系的河流，由於降水冬多夏少，水位冬夏變化明顯。
氣候和植被垂直變化明顯。以南坡為例，海拔400米以下及山麓地帶，冬季氣溫-6～2℃，大氣濕度較小，有典型的地中海型植物，如石生櫟、油橄欖、栓皮櫟等；海拔400～1300米之間，冬季氣溫-6～-13℃，降水較多，是落葉林和其他闊葉落葉林分佈帶；海拔1300～1700米之間，冬季氣溫-13～-16℃，降水量多，是山毛櫸和冷杉組成的混交林帶；海拔1700～2300米之間，冬季氣溫-16～-20℃，主要為高山針葉松林帶；海拔2300米以上則為高山草甸；海拔2800米為雪線所在，有穩定的冰雪覆蓋層。
山地富森林、礦藏、以鐵、錳、鋁土、硫磺、汞和褐煤等為主，並有溫泉。山區自然風光絢麗，是重要旅遊勝地，又是登山滑雪等冬季體育活動的好場地。山間盆谷和一些低緩的山坡是農耕地和居民點比較集中分佈的地區，主要種植小麥、裸麥、馬鈴薯和煙草、葡萄等作物。廣闊的山間草場和谷坡地帶主要發展牧業。山脈東西兩端沿海岸建有多條鐵路，另有6條山道和2條鐵路隧道穿越山脈、溝通南北。