大巴山山脉是嘉陵江和汉江的分水岭，四川盆地和汉中盆地的地理界线。狭义大巴山仅指川、陕、鄂三省接壤地带的米仓山和大巴山，东西绵延500多公里，故称千里巴山。简称巴山。广义大巴山为川、甘、陕、鄂四省边境山地的总称，包括米仓山西延的摩天岭，大巴山东伸的神农架山在内。大巴山介于北部的秦岭地槽和南部的四川台向斜之间，由于南北两大构造线的控制，山体呈一系列规则的背斜和向斜组成的平行褶皱带，但东、西两部略偏北，中部稍偏南，故或称大巴山弧形褶皱带。地层古老，以石灰岩、白云岩、变质岩、砂岩为主，局部有花岗岩分布。前二者多峰丛、溶洞、暗河等喀斯特地貌，著名者有广元龙洞、旺苍黄洋洞、通江中峰洞等。山脊由坚硬的结晶灰岩组成，经上升剥蚀后浑厚雄伟，海拔约2000米，巫溪太平山2797米，最高的湖北神农架3105.4米。
大巴山多古老的特有植物，如连香树、水青树、珙桐、香果树、银杏、领春木等，为中国亚热带、温带多种古老植物发源地之一及中国腊梅的原产地。大巴山南坡的南江县焦家河是中国常绿阔叶林中水青冈原始林保存最好的地区。珍稀动物有金丝猴、云豹、苏门羚、猕猴等。现于湖北的神农架和陕西的南郑、镇巴三地建立了自然保护区。南江县境内辟有森林公园，面积达2.26万余公顷。大巴山是四川盆地北部的天然屏障，阻滞或削弱了冬半年北方冷空气的南侵，对四川冬暖春早气候的形成影响重大。大巴山南面的四川盆地为中亚热带，而北面的汉中盆地则属于北亚热带。大巴山是中国共产党领导的第二次国内革命战争时期根据地之一。大别山长江与淮河水系的分水岭。位于豫、鄂、皖三省边境。西接桐柏山，东延为霍山（也称皖山）和张八岭，西段作西北—东南走向，东段作东北—西南走向。一般海拔500～800米，山地主要部分海拔1500米左右，主峰天堂寨海拔1729米。
山地地质构造基础是古生代华力西中期的秦岭大别山褶皱带。主要由前震旦纪地层和侵入岩构成，以花岗岩、片麻岩等为主。麻城以东部分受燕山运动影响更为显著。山地经褶皱后，曾一度准平原化。现今山地轮廓为此后的断层运动所形成。断层运动至今仍在进行，1923年霍山大地震即为明显一例。