El parque se extiende por 116 953 hectáreas en el punto donde se produce el encuentro entre los sistemas Central e Ibérico y el sector noreste de la Cuenca del Tajo.
Esta conjunción explica la notable diversidad de rocas que afloran en el Parque y que son responsables de su singular fisonomía. Predominan las pizarras, cuarcitas y gneises (todas ellas rocas metamórficas muy antiguas), que conforman cuchillares, crestones, valles encajados, cañones fluviales, canchales y pedrizas, escarpes con espectaculares saltos de agua, y en las zonas de mayor altitud, circos glaciares como el del Pico del Lobo y el del Pico Tres Provincias o Cebollera Vieja, en los que son visibles los restos de antiguas morrenas glaciares. Pero también hay calizas que han dado lugar a paisajes fantásticos como la ciudad encantada de Tamajón y hoces como las de Retiendas y Valdepeñas de la Sierra.