신라 화랑 김유신(金庾信)을 한때 사랑했으나 김유신에게 버림받은 천관녀(天官女)가 숨어 살았던 산이라는 전설이 있다. 일각에서는 천자의 왕관을 닮아서 붙은 이름이라는 설도 있다.
천관산은 화강암으로 된 산지이다. 천관산 주변의 주1은 북쪽으로 고읍천의 지류가 형성되어 있으며, 남쪽으로는 대덕천으로 유입된다. 전체적으로는 방사상의 하계낭을 나타내고 있다. 천관산 제2봉인 대장봉 일대는 연대봉과는 달리 화강암의 주2를 받은 둥근 핵석이 나타난다. 산의 능선에는 화강암이 풍화되고 남은 암석 부분이 흩어져 있는 토르(tor) 지형이 나타난다. 정상 부분에 나타나는 암석의 표면은 대체로 평평한 편이며 화강암이 풍화가 되어서 만들어진 여러 웅덩이 지형이 나타난다. 이들을 그루브와 나마라고 부른다. 주7 안석의 이름에 따라서 환희대(歡喜臺)라고도 불린다. 천관산 지역의 주요 식물 군락은 소나무 군락, 곰솔 군락, 곰솔-상수리나무 군락, 신갈- 졸참나무 군락, 동백나무 군락, 비자나무 군락, 억새 군락 등이 분포하고 있는 것으로 조사되었다. 특히 동백 생태 숲과 비자나무 숲이 유명하다.
천관산은 주로 주3 주4에 땅속 깊은 곳으로 파고들어 온 마그마가 굳어져 만들어진 화강암으로 되어 있다. 천관산의 환희대(대장봉)를 경계로 북쪽의 구정봉(九頂峰), 남쪽의 진죽봉, 구룡봉 등의 암봉들이 정상부의 능선을 이루고 있다. 이들은 땅속에서 풍화되고 풍화된 물질들이 제거되고 단단한 암석만 남는 것으로 성곽형 토르 또는 성곽형 코피라고 부른다. 천관산에는 동굴인 금강굴, 금수굴 등이 있으며 이들은 화강암에 만들어진 균열인 절리를 따라서 주6이 일어나 만들어진 것이다. 천관산의 서쪽과 남쪽으로는 백악기 후기의 화산암 및 주5이 나타난다. 또한 동남부로는 쥐라기의 대보화강암이 나타난다. 전반적인 지형은 도상구릉(inselberg)의 형태를 띤다. 호남의 명산으로 고려시대에는 천관사 · 옥룡사 · 보현사 등 89개의 암자가 있었으나, 현재는 절터와 몇 개의 석탑 · 석불만이 남아 있다.
정상부의 북서쪽에 형성된 장천재 계곡이 유명하며 산 정상부 일대의 암석 봉우리는 장관을 이룬다. 이 암석들에는 당암(堂巖) · 고암(鼓巖) · 사자암(獅子巖) · 상적암(上積巖) · 사나암(舍那巖) · 문주보현암(文珠寶賢巖)라는 이름이 붙어있다. 북서쪽에는 국립 천관산 자연 휴양림이 조성되어 있다.