Les formes de gorges encaissées et d'une vallée sinueuse dessinent cette région naturelle où l'Allier module fortement le relief. La nature géologique des roches est principalement métamorphique (gneiss et micaschistes) et granitique, avec pour origine la chaîne hercynienne formée durant l'ère primaire (entre -400 et -340 millions d'année). La surrection de Alpes à l'ère tertiaire provoque à la fois la remontée du massif de le Margeride et le volcanisme de Devès dont les coulées de basalte sur la rive droite coupe le lit de l'Allier, obligé de contourner ces obstacles via de nombreux méandres. La région naturelle comprend au nord le massif de la Chomette, un horst cristallophyllien séparant les deux bassins d'effondrements de Brioude et de Paulhaguet. Il est à noter au niveau de Langeac la présence en partie d'un bassin houiller dont les niveaux successifs de charbon correspondent à l'accumulation des débris organiques provenant de forêts tropicales luxuriantes du Carbonifère (-300 millions d'années).
La vallée et les gorges du Haut-Allier peuvent être définies comme un couloir climatique collinéen avec un climat d'abri dont le caractère continental est marqué et l'influence atlantique est atténuée. Du nord jusqu'à Langeac, sous l'influence de l'effet de foehn des reliefs successifs des monts du Cantal, du Cézallier et de la Margeride (en position d'abri vis-à-vis des flux océaniques), la pluviométrie est très faible avec une moyenne de moins de 650 mm/an. Elle augmente au sud sous l'influence cévenole. La moyenne annuelle des températures est élevé au nord de la petite région (environ 10°C) et plus faible au sud sur les secteurs plus en altitude (environ 7°C).
Avec les reliefs contraignants de la vallée et les gorges du Haut-Allier, les milieux ouverts exploités, cultures et prairies, sont présents dès que les conditions le permettent, notamment sur des secteurs de fond de vallée et sur les zones de confluence entre l'Allier et ses affluents. Des terrasses agricoles ont été aussi mises en place depuis très longtemps sur les versants les mieux exposées, profitant à la culture de la vigne à son avènement à la fin du XIXe siècle. Les milieux forestiers dominent la région naturelle avec un mélange d'essences caducifoliées et résineuses. La présence du Pin sylvestre est non négligeable puisque cette espèce pionnière de recolonisation supporte les conditions difficiles des versants abrupts. A proximité de la rivière, les essences changent au profit de l'Aulne et des saules. Avec un sol particulièrement sec dû aux reliefs marqués, les végétations de falaises, de dalles rocheuses et de landes participent activement à l'identité paysagère de cette région naturelle. L'Allier et les bancs de sables un espace privilégié pour les vacanciers et les promeneurs, démontrant l'importante vocation touristique de cette région naturelle.