남쪽의 태백산맥(太白山脈)과 함께 우리나라의 원줄기가 되는 척량산맥(脊梁山脈 : 어떤 지역을 종단하여 길게 이어져 분수령이 되는 산맥)이 되고 있다.
주향(走向)은 국경 부근에서 사랑봉(舍廊峯, 일명 蛇梁峯, 1,787m)에 이르기까지 북반부는 북동∼남서방향이며, 전지산(田地山, 1,623m)·남사산(南社山, 1,787m)·황야봉(黃野峯, 1,874m)·희색봉(稀塞峯, 2,185m)·민색봉(民塞峯, 1,688m) 등 1,500m 이상의 높은 봉우리를 일으키고 있다.
남쪽 중앙부는 사랑봉에서 사수산(泗水山, 1,747m)에 이르기까지 남북방향으로 달리며, 총곡령(總曲嶺, 2,066m)·맹부산(猛扶山, 2,214m)·총전령(葱田嶺, 2,084m)·와갈봉(臥喝峯, 2,262m)·대홍산(大紅山, 2,152m)·향라봉(香羅峯, 1,987m)·천의물산(天宜勿山, 2,032m)·소백산(小白山, 2,184m)·동백산(東白山, 2,096m)·황봉(黃峯, 1,736m)·차일봉(遮日峯, 1,743m)·백산(白山, 1,837m) 등 2,000m 전후의 고봉들이 웅기하고 있어서 본 산맥의 최고봉이 된다.
사수산 이하 추가령(楸哥嶺, 586m)에 이르는 남반부는 서쪽으로 향하여 반원형으로 굽은 맥세를 형성하고, 그 높이도 대개 1,500m 이하로 낮아진다. 이 부분의 대표적인 산을 꼽으면 모도봉(毛都峯, 1,833m)·맹산(孟山, 1,550m)·백두산(白頭山, 1,370m)·두류산(頭流山, 1,324m)·육판덕산(陸坂德山, 1,325m)·추애산(楸愛山, 1,530m) 등이 있다.
사랑봉에서 사수산에 이르는 중앙부는 장진고원(長津高原)의 서쪽 경계가 되며, 이른바 한국 방향(북북서∼남남동)의 단층 구조와 일치한다. 이 단층은 서쪽이 떨어진 정단층 운동의 결과로, 이 산맥의 서쪽 사면은 급경사를 이루고 있는 데 반하여, 동쪽 사면은 완만한 경사를 이루고 있다. 이 산맥의 맹산 부근에서 서쪽으로 적유령산맥(狄踰嶺山脈)이 뻗어나가고 소백산에서 서쪽으로 묘향산맥(妙香山脈)이 뻗어나간다. 실제 낭림산(2,014m)은 이 묘향산맥 상에 있다.
독일의 라우텐자흐(Lautensach)는 태백산맥과 낭림산맥을 한반도의 척량산맥으로 보고 이들이 원산호에 의해 하나로 이어지는 것으로 간주하여 이를 한국주산맥으로 명명하였다. 이러한 이론은 최근 산맥에 대하여 지반운동으로 형성된 태백·낭림·소백·함경 산맥은 산맥으로 나머지 산맥은 고위평탄면의 해체과정에 남은 잔구성 산지로 보는 견해가 최근 지형학의 일반적인 견해이다.
암석은 대체로 결정편암·화강편마암 및 화강암 등으로 구성되어 있고, 시생대 이후 해침을 크게 받지 않은 안정된 지대로서 퇴적암의 분포는 협소하다. 식물은 한대침엽수림이며, 기후를 보면 연평균기온 5℃ 이하, 연강수량 500∼700㎜의 지대이다. 위도 상으로는 온대에 속하나 수직 고도가 높기 때문에 기온이 낮아 아한대 기후를 나타내고 있다.
그러므로 나무의 종류는 시베리아의 타이가지대와 비슷하며, 낙엽송·분비나무·가문비나무·전나무·잣나무 등의 침엽수가 80% 이상이고, 자작나무·사시나무·황철나무·달피나무·고로쇠나무 등의 활엽수가 자라는데, 이는 우리 나라의 중요한 삼림 자원이다.
특히, 낭림산과 노봉연산에는 찡방나무의 대군락이 산록지대의 전면을 덮고 눈잣나무가 이에 잇달아 있다. 서쪽에는 이와는 달리 요동계 식물(遼東系植物)에 속하는 만주홍송·팽나무 등 특이한 종류가 있다. 함경남도에서 평안남도로 향하여 좁고 긴 부분에 고원을 이루고 있는 곳이 있는데, 여기에 고성지(古城址)가 있다.
이 고성지는 고려 시대의 맹주진(孟州鎭)으로서 거란이나 여진의 남침에 대비하기 위하여 구축한 조선장성(朝鮮長城 : 千里長城)의 일부분이다. 주요 고개로는 강계와 장진 간의 아득령(牙得嶺, 1,479m), 덕천과 함흥 간의 검산령(劍山嶺, 1,127m), 양덕과 영흥 간의 거차령(巨次嶺, 557m), 양덕과 고원 사이의 기린령(麒麟嶺, 725m), 평양과 원산 간의 마식령(馬息嶺, 788m) 등이 있다.