Ocupa uns 45 km de llargada, en forma d’arc (E-W), entre el Rialb, afluent del Segre, i el Guard, que ho és de la Noguera Ribagorçana, i uns 10 km d’amplària al sector central (el Montsec d’Ares, entre ambdues Nogueres, el qual és flanquejat pel Montsec de Rúbies, a l’E, i pel Montsec d’Estall, a l’W). L’altitud màxima és de 1.677 m al centre del muntanyam. És un anticlinori complex format per calcàries cretàcies redreçades segons l’estil tectònic pirinenc i que es fracciona en dues cingleres amb un desnivell total d’un miler de metres, separades per un replà de margues. Al peu de la cinglera baixa, que descansa en part damunt una bossada de Triàsic, una falla longitudinal inicia una depressió sinclinal constituïda per la vall d’Àger (corresponent al Montsec de Rúbies). El Montsec desapareix sepultat vers els extrems per materials més recents: a l’extrem est, sota els conglomerats montserratins de la serra de Comiols, i a l’extrem oest, sota les margues eocèniques, bé que fins a prop de Benavarri arriben els estreps calcaris aïllats.
La pluviositat, força migrada en el vessant meridional, molt assolellat, explica que la vegetació hi tingui caràcter mediterrani (carrascars i garrigues) fins prop de la carena; a l’obaga, més frescal, el paisatge vegetal és submediterrani; a la part baixa la clímax principal és el bosc de roure valencià; més amunt el de roure martinenc; als racons molt ombrívols hi ha algun petit clap de fageda; la zona culminant és coberta sobretot de prat sec d’ussona. Els dos grans congosts (de Mont-rebei, a la Noguera Ribagorçana, i dels Terradets, a la Noguera Pallaresa) han fet un paper ben diferent, i les comunicacions només aprofiten el segon.
L'any 1992 la Generalitat de Catalunya inclogué 30.000 hectàrees de la serra del Montsec en el Pla d'Espais d'Interès Natural (PEIN). Des de la darrera dècada del segle XX la serra del Montsec ha esdevingut un centre de primer nivell internacional per a la pràctica de les diverses modalitats de vol lliure. El 2008 hom inaugurà als termes Sant Esteve de la Sarga (Pallars Jussà) i Àger (la Noguera) el Parc Astronòmic Montsec.