La apariencia de la Sierra Nevada de Santa Marta es la de una pirámide de base triangular con un área aproximada de 17,000 km². El flanco norte bordea al Mar Caribe desde las tierras planas y áridas del sur de la península de La Guajira hasta los alrededores de la ciudad de Santa Marta y el flanco Occidental limita con la Ciénaga Grande de Santa Marta y la planicie aluvial del río Magdalena. Finalmente, el flanco oriental está enmarcado por los valles de los ríos Cesar y Ranchería. Las cadenas de picos con nieves permanentes, hoy en día en proceso de retroceso glaciar, se encuentran orientadas sobre un eje con dirección este-oeste. Numerosos lagos de origen glaciar en los cuales se forman los ríos que descienden por sus tres grandes vertientes se encuentran por encima de los 3,000 metros de altura sobre el nivel del mar.

La Sierra Nevada de Santa Marta se terminó de levantar a finales del Período Terciario, el cual comenzó hace 66 millones de años aproximádamente. Lo hizo al igual que todo el sistema andino pero independiente de el, lo cual le ha dado el carácter de una isla biogeográfica dentro del continente.

La Sierra Nevada de Santa Marta, es un macizo ígneometamórfico aislado, originado por fuerzas distróficas que determinaron sus características generales. Su origen comienza con un basamento metamórfico que data del Pre–Devónico, hace unos 400 millones de años.

Posteriormente, por procesos tecto-orogénicos a principios del Mesozoico, en los períodos Triásico y Jurásico (225–135 millones de años), alcanzó mayor altura, así como una nueva localización dentro del país. Finalmente procesos orogénicos Plio–Pleistocénicos (11–1 millones de años) determinaron su altura actual, que alcanza los 5700 msnm en los picos Cristóbal Colón y Simón Bolívar.

Los procesos orogénicos y el posterior fracturamiento y fallamiento de la Sierra Nevada, determinaron el relieve actual. Tres fosas rodean el complejo basal cristalino: al oeste, se encuentra la fosa del Ariguaní, con una profundidad de unos 6 km.; al sureste, corre la falla del río Cesar; y por el este, la falla del río Ranchería.

La gran falla colombiana desplazó la Sierra Nevada unos 200 km al norte. Otro proceso de separación del macizo se debió a la falla de Oca, que lo separó del basamento de La Guajira.

La Sierra Nevada de Santa Marta se divide en tres grandes hoyas o macrocuencas conformadas por un sistema de 30 ríos principales. La macrocuenca del Caribe incluye todos los ríos que desembocan directamente al mar, el extremo norte de la vertiente occidental, y el río Ranchería.

En esta macrocuenca de occidente a oriente se encuentran los ríos: Córdoba, Toribio, Gaira, Manzanares, Piedras, Mendihuaca, Guachaca, Buritaca, Don Diego, Palomino, San Salvador, Ancho, Cañas, Maluisa, Jerez, Tapias, Camarones y Ranchería.

La macrocuenca Occidental está conformada por los ríos que vierten sus aguas a la Ciénaga Grande de Santa Marta, tales como los ríos Frío, Sevilla, Tucurinca, Aracataca y Fundación.

La tercera macrocuenca está conformada por los tributarios del río Cesar tales como el Badillo, Guatapurí, Azúcarbuena o Cesarito, Los Clavos, Diluvio y Ariguaní.

En la Sierra Nevada nacen las aguas que abastecen los acueductos de todos los asentamientos que la circundan, con una población aproximada de 1.5 millones de habitantes y las distintas industrias agrícolas, ganaderas, y mineras ubicadas en su área de influencia. Los ríos procedentes del macizo, aportan unos diez mil millones de metros cúbicos de agua anuales.

Sin embargo, la creciente disminución de la cobertura vegetal en la mayoría de sus cuencas unido con el cambio climático han acentuado en los últimos años la inestabilidad hídrológica.

Por esta razón, la Fundación ProSierra Nevada de Santa Marta ha encaminado una buena parte de sus esfuerzos en los últimos años hacia actividades que contribuyan a estabilizar y aumentar la disponibilidad de agua para la población campesina e indígena, las Ciénaga y Santa Marta, y la zona de influencia de la SNSM.

Los factores que generan la particularidad climática del macizo montañoso, son principalmente su posición con respecto a la línea Ecuatorial, su aguda variación altitudinal, y su posición frente al mar y los vientos alisios del nordeste, para los cuales representa un obstáculo.

En términos generales, se puede afirmar que la cara norte es la más húmeda, la oriental la más seca y la occidental muestra una condición intermedia. La planicie caribeña que rodea el macizo presenta un clima cálido y seco.

Al igual que para todo el territorio nacional, el régimen de lluvias está definido en gran parte por el movimiento de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), que determina dos períodos lluviosos, de abril a junio y de agosto a noviembre, alternados por dos épocas secas de diciembre a marzo y de junio a agosto, este último conocido como veranillo de San Juan.

Sin embargo, en cada uno de sus tres flancos se presentan particularidades relacionadas con los agentes mencionados anteriormente que modifican este patrón de lluvias, al igual que los fenómenos de El Niño y La Niña y en años más recientes, y la aceleración del retroceso glaciar.