Els Ports constitueixen una unitat de relleu calcària d'una notable complexitat estructural. El massís presenta muntanyes destacables per la seva alçada i singularitat, amb una important àrea superior als 1000 m. El cim més alt de tot el massís és el Mont Caro, amb 1447 m. Altres cims a remarcar són : Tossal dels Tres Reis (1356 m), el Negrell (1343 m), Mola de Catí (1326 m), Punta Torroja (1246 m), Tossal Nou (1233 m), Morral de Catinell (1232 m), Punta Serena (1031 m), Roques de Benet (1013 m), entre d'altres.

Aquestes muntanyes estan formades per materials calcaris mesozoics que determinen un relleu abrupte i trencat per diverses falles, amb importants encavalcaments. El massís, d'una gran complexitat tectònica, està separat de les planes pre-litorals per un sistema de falles. És destacable el front de conglomerats septentrional bolcat cap a la depressió de l'Ebre, característic de les Roques de Benet, el Periganyol o Sant Salvador. L'estructura central és de plegament de tipus juràssic, amb un eix de direcció nord-est i sud-oest. El vessant oriental, molt abrupte, tallat per un escarpament de falla, és ric en cingleres, talussos i cons d'esbaldregalls.

Als sectors alts hi són freqüents les formes càrstiques com els rasclers i les dolines. Al sector occidental, els rius principals excaven gorges profundes de gran espectacularitat, com és el cas del riu Matarranya a les Gúbies del Parrissal, les Gúbies del Regatxol a la capçalera del riu Ulldemó o les valls properes al Mas de la Franqueta al llarg del Riu dels Estrets.

Els Ports presenten un especial interès botànic i biogeogràfic per constituir un pont essencial d'unió entre el sistema ibèric i les muntanyes del litoral català, jugant un important paper dins les vies migratòries europees, i en especial durant els canvis climàtics quaternaris.

Com a conseqüència d'aquest fet, els Ports han conservat una rica i variada flora, amb nombroses espècies rares o endèmiques. L'espai té un alt valor ecològic ja que és un recull de la diversitat d'espècies i la singularitat de les terres del migjorn català en l'extrem meridional del Sistema Mediterrani. També es poden distingir diversos estatges de vegetació perfectament diferenciats, des dels paisatges típicament mediterranis a la base de la muntanya fins als submediterranis de les parts altes.

Pel que fa a la fauna, els Ports representen un nexe d'unió entre el territoi pirinenc i el sistema ibèric meridional, amb algunes espècies endèmiques, albergant espècies cavernícoles molt rares, una avifauna molt variada, i mamífers d'un peculiar atractiu com és el cas de la cabra salvatge (Capra hispanica), un dels reductes més importants d'aquesta espècie dins dels Països Catalans.

Un dels valors singulars i emblemàtics del territori es troba a certes ombries del sud del massís : és el conjunt de les fagedes dels ports, d'una gran bellesa, i d'una dinàmica amb molt d'atractiu pels seus diferents estats i colorits a cada estació de l'any. És una de les fagedes més meridional de tota Europa, d'un excepcional interès biogeogràfic, essent un dels elements de més valor natural als Ports.

La naturalesa calcària del massís, juntament als corrents d'aigua i a la gran complexitat tectònica de la zona, han donat lloc en el transcurs dels anys, a la creació d'un impressionant sistema càrstic, amb abundants coves, gorges, avencs i forats del tot espectaculars, que han propiciat una gran afecció a l'espeleologia i la catalogació d'un important nombre de cavitats de reconeguda categoria.