Serra nororiental da comarca de Valdeorras, de substrato maioritariamente calcario, e val do río Sil á súa entrada en Galicia. Os seus impresionantes farallóns calcarios, que contrastan co val do Sil e as veigas cultivadas e flanqueadas por amplos soutos de castiñeiros, onde se asentan algunhas aldeas de arquitectura tradicional ben conservada, confírenlle un gran valor escénico e constitúen un tipo de paisaxe única en Galicia. Este substrato calcario, xuntamente coas particulares condicións climáticas da área e a súa posición bioxeográfica, compartida coa comarca leonesa do Bierzo, son determinantes dunha riqueza e singularidade biolóxica excepcional no ámbito galego.
A área pertence á rexión mediterránea, provincia mediterránea ibérica occidental e subprovincia carpetano-leonesa, adscribíndose ao sector berciano-sanabrés. É zona de transición entre os dominios climáticos oceánico de montaña e oceánico-mediterráneo, cunha precipitación media anual de 594 mm e unha temperatura media de 12,9 ºC. Presenta o clima máis seco de Galicia, de tipo mediterráneo tépedo.
O rango altitudinal do espazo natural vai dos 380 m nas beiras do Sil ata os 1.089 m en Pena Tara, manténdose por enriba dos 800 m s.n.m. ao longo de toda a zona montañosa. O tramo do río Sil ao seu paso polo espazo natural (arredor de 4 km) vese afectado polo encoro de Penarrubia, que cobre unhas 137 ha, cunha capacidade de 12 Hm3. En parte debido á permeabilidade do substrato calcario, só hai outro curso de auga permanente no espazo natural, o río Galir, mentres que os restantes regatos son de carácter estacional.
Os terreos calcarios ocupan unha superficie moi reducida en Galicia, e nesta serra atópase boa parte dela, formando unha unidade coas áreas veciñas do Bierzo, pertencendo á zona xeolóxica ástur-occidental leonesa. Trátase do dominio da denominada calcaria da Aquiana, de tipo marmóreo e natureza recifal, estratificación pouco marcada e en ocasións totalmente dolomitizada. Debido á súa natureza, estas calcarias presentan restos fósiles de briozoos e outros organismos do período ordovícico, testemuñas dunha época en que esta zona se encontraba somerxida baixo o mar. A área é altamente singular no ámbito galego, desde os puntos de vista xeomorfolóxico, ecolóxico e paisaxístico, polo gran desenvolvemento, extensión e pendente que alcanzan os cortados calcarios, que chegan a superar os 200 m de altura e teñen a súa mellor representación no Estreito do Covas, na Pena Falcoeira e nos Penedos de Oulego. Así mesmo, aquí atópase o mellor exemplo de morfoloxía cárstica de Galicia, albergando a maior rede de covas e simas (denominadas "palas" na zona) da Comunidade Autónoma, entre as que destacan as existentes nas inmediacións de Covas e Biobra (Pala do Pombo, Pala de Tralapala, Pala de Trasmonte, Pala de Xilberte), non afectadas polo encoro. Por outra parte, a parte inferior das vertentes da serra está constituída por lousas e cuarcitas. A este nivel, son elementos xeomorfolóxicos relevantes os conos de dexección e os depósitos detríticos de lousas, cuarcitas e calcarias, presentes en Covas e no seu contorno. A elevada singularidade do espazo natural foi tida en conta polo Instituto Xeolóxico e Mineiro de España ao incluír parte da área no Punto de Interese Xeolóxico "Minas de Pintura" (PIG OR-3), que, ademais dun depósito presilúrico de limonita situado en Pardollán, de elevado interese estratigráfico, inclúe o Estreito de Covas e o macizo calcario de Penarrubia.
