Alguns la fan procedir del precontinent catalanobalear. D’orientació SW-NE (ENE en el tram final), s’allargà uns 90 km entre sa Dragonera i el Formentor pel costat de mar i entre el cap de cala Figuera i el cap des Pinar pel des es Pla , entre les badies de Palma i Alcúdia. L’amplada oscil·la entre uns 10 km en aquests sectors extrems, i uns 20 km a la part central. Els materials en bona part calcaris del fons del geosinclinal degueren emergir en forma d’arxipèlag durant l’Eocè superior, igual que els Pirineus, però el paroxisme tectònic és posterior, del Burdigalià (miocè inferior), i coincideix amb la fase estírica del plegament alpí. L’estructura és complexa: apareixen tres sèries tectòniques vergents cap al N, que solen constar de Burdigalià, Juràssic (o, més concretament, Liàsic) i Triàsic.
Però s’encavallen perquè les margues i les argiles del Triàsic, plàstiques, serviren de lubricant a les dures calcàries liàsiques, que llenegaren formant mantells de lliscament. Un cop constituït l’eix de la serralada, encara hi hagué transgressions marines (la tirreniana, corresponent a la tercera glaciació quaternària, és testimoniada a la badia de Pollença per terrasses marines situades de 8 a 10 m damunt el nivell actual) i l’erosió subaèria, que ha estat molt enèrgica.
L’abundància de calcàries ha incidit en l’aparició de vuit o deu àrees de relleu càrstic sense comptar-hi les submergides (així el port de Sóller sembla que és un polje negat). L’erosió subterrània ha ajudat el plegament a bastir valls longitudinals, com la d’Orient, el pla de Cúber, la coma de son Torrella i la vall d’En Marc. L’erosió fluvial, en canvi, ha tendit a obrir valls transversals, normalment més engorjades, però més baixes i amb aigua de fonts, que han atret el poblament: Puigpunyent, Esporles, Valldemossa, Sóller.
Com que l’estructura general és paral·lela a mar, la costa és alta i rectilínia de tipus dàlmata, amb petites cales per a refugi i una sola entrada destacable, el es Port de Sóller . Només en el sector nord és tallada obliquament pel relleu i s’hi obren algunes valls. El contacte de la Serra amb el Raiguer és brusc i fossilitzat pels sediments vindobonians des Pla. Però sembla determinat per una fractura. Entre aquesta línia i el litoral, l’eix de la serralada es caracteritza per formes massisses on abunden les moles; però molt dissimètriques: suau el vessant interior, i dibuixant crestes i penya-segats de cara a mar.
Hom pot distingir-hi tres sectors. El meridional, fins al coll de Valldemossa , d’uns 400 m alt., presenta una façana migjornenca accidentada, però com que hi predominen les margues l’erosió ha estat fàcil i les altituds són moderades, llevat el puig de Galatzó (1.026 m alt.). El central, que comprèn per la costa els municipis de Sóller , Fornalutx i Escorca , té una altitud molt sostinguda: serres d’Alfàbia (1.068 m alt.), des Teix (1.064), de Cúber (1.000), mola de Planici (933), puig de Massanella (1.340), puig Major , el més alt (1.443), puig d’Ofre (1.090), puig Tomir (1.102). Un sol coll travessa la serralada i encara a més de 800 m alt.: el de coll de Sóller . El torrent de Pareis desguassa a sa Calobra entre dos penya-segats d’un centenar de metres. El sector septentrional, corresponent al terme de Pollença bàsicament, és el més baix: els 12 km darrers formen la península de Formentor, que encara ateny els 400 m alt. i té unes cales que són ries quaternàries.
L’escassetat de sòls fa que aparegui sovint la roca nua, però el clima, la biogeografia i l’home n'han fet l’únic sector verament muntanyenc de les Balears. Les precipitacions del sector central ultrapassen el miler de mm anuals, i hi neva cada hivern a partir d’uns 800 m en amunt. A la part baixa hi predominen les màquies de llentiscle (mata) i olivella i les brolles amb pi blanc; més amunt, i sobretot a l’obac, l’alzinar ocupa una extensió considerable; als cims, per damunt dels 1.100 m aproximadament, hi ha matollar xeroacàntic i d’eixorbarates i prats sabanoides de càrritx.
Als extrems SW i NE hi creix el margalló. Els conreus han pujat tant com els boscs: fins a 900 m els cereals a la coma de son Torrella, fins a 600 m les oliveres centenàries, fins a 300 m els joves ametllers. Però només aquests darrers persisteixen conreats justament amb els regatges amargenats a les hortes regades amb aigües de fonts. La més notable és la de Banyalbufar (tomàquets) i, gairebé a nivell de mar, la de Sóller (cítrics). Del bosc ja només s’exploten les glans (bestiar porcí) i la caça.
La muntanya s’ha despoblat a l’hivern, però s’hi han multiplicat les urbanitzacions i se n'obtenen profits nous: els pantans des gorg Blau , de Cúber i d’Almedrà, comunicats entre ells, forneixen aigua a Palma (i el de Cúber, també electricitat). La carretera d' Andratx a Formentor, paral·lela al gran eix Palma-Inca-Alcúdia, ha permès l’accés pel costat de mar (d’Andratx a Sóller) o per l’interior de la muntanya. Això ha introduït a la Serra el gran recurs mallorquí: el turisme.
L’any 2011 la Unesco declarà la Serra de Tramuntana Patrimoni de la Humanitat en la categoria de paisatge cultural. L’espai protegit, que s’estén des d’Andratx a Formentor per dinou municipis, entre els quals cal citar Valldemossa, Deià, Banyalbufar, Esporles, Sóller o Pollença, ocupa 30.745 ha en la seva àrea central, al qual cal afegir 52.760 hectàrees terrestres i 25.857 de marítimes. La declaració fou fruit d’una inciativa del consell de Mallorca que culminà en la presentació de la candidatura al juliol del 2009.