산맥의 길이는 약 250㎞이며, 평균 고도는 600m 정도이다.
오대산으로부터 강원도와 충청북도가 경계를 이루는 지점까지에는 계방산(桂芳山, 1,577m)ㆍ회령봉(會靈峰, 1,309m)ㆍ흥정산(興亭山, 1,277m)ㆍ 태기산(泰岐山, 1,261m)ㆍ 치악산(雉岳山, 1,288m) 등의 높은 봉우리들이 이어진다.
이 산들 사이의 운두령(雲頭嶺, 1,080m)은 평창군 진부면과 홍천군 내면을 연결하는 주요 통로이며, 둔내터널은 영동고속도로에서 가장 높은 곳에 위치한다(920m). 치악산 부근에는 중앙선의 루프식 터널과 십리굴(3.75㎞)이 있다. 이 밖에도 횡성과 안흥 사이의 전재(513m), 원주시 제천 사이의 치악재(450m), 원주시와 충주시 사이의 양아치고개(390m) 및 제천시와 충주시 사이의 박달재 등이 주요 고개이다.
이 산맥은 충주 부근에서 남한강의 횡단으로 분리되는데, 서남부는 점차 고도가 낮아져 구릉성 산지를 이룬다. 경기도와 충청북도의 경계 부분에는 오갑산(梧甲山, 609m)ㆍ 국망산(國望山, 770m)ㆍ덕성산(德城山, 521m)ㆍ서운산(瑞雲山, 547m) 등이 있고, 경기도 안성과 충청북도 진천 사이에는 엽둔재(360m)가 있다.
충청남도를 남동부와 북서부로 자연 경계 짓는 이 산맥은 광덕산(廣德山, 699m)ㆍ 칠갑산(七甲山, 561m)ㆍ무성산(武城山, 614m)ㆍ 성주산(聖住山, 680m)ㆍ금계산(金鷄山, 575m) 등으로 이어진다. 또한, 지맥인 가야산맥(伽倻山脈)은 남북으로 뻗어 예당평야와 태안반도를 구분하고 있다.
남한강 가까이까지 이 산맥은 큰 분수계 중의 하나로 한쪽은 북한강 유역과 다른 한 쪽은 충주 상류의 남한강 유역에 속하게 된다. 남한강을 건너기 전 영서지방에서는 주변의 산지와 잘 구분이 되지 않으며, 남한강을 건어 장호원의 오갑산(609m)이 있으나 여기서부터 상당한 구간에 걸쳐 구릉지가 형성되어서 차령산맥의 줄기를 추적하기가 어렵다. 특히 청미천과 미호천의 두 유역분지가 만나는 중부고속도로 동쪽 지역에서는 해발 200m 이하의 구릉지가 넓게 펼쳐지는데, 이 지역은 화강암대에 속한다. 산지 북서쪽의 안성ㆍ 천안ㆍ 아산, 남서쪽의 진천ㆍ 청주ㆍ 조치원 등은 화강암의 저지대에 발달한 도시들이다. 차령산맥은 산맥이라기보다는 안성천ㆍ 삽교천 유역과 금강유역 사이에서 침식을 덜 받아 남아 있는 잔구성 산지로 보는 해석이 힘을 얻는 것은 차령산맥을 넘는 사람들이 산맥을 인식하지 못하는 경우가 많기 때문이다.