고려 말, 이성계(李成桂)가 이 산이 매우 높아 손이 석자만 길어도 하늘을 만질 수 있겠다 하여 천마산이라는 이름이 비롯되었다고 한다.
암석은 경기편마암 복합체에 속하는 호상(縞狀) 편마암이 주를 이루고 있다. 식생은 온대 주1에 속하는 지역으로 소나무와 굴참나무, 신갈나무 등의 참나무류와 주2, 고로쇠나무, 까치박달 등의 낙엽 주3가 주5을 이룬다. 모두 690여 종의 식물이 자란다. 산지의 급경사지의 분포도 넓은 편이며 고도에 비해 경사가 급한 편에 속한다. 그러나 등산은 상대적으로 쉬운 편이어서 수도권 거주 주민들이 많이 찾는다.
능선이 산정을 중심으로 주4 형태를 이루고 있어 어느 지점에서도 정상이 바라보인다. 천마산의 북쪽 능선을 따라 괘라리고개에서 서북쪽에 철마산(鐵馬山, 711m)이 있다.
북쪽 기슭에는 고려 초기인 949년에 창건된 것으로 알려진 보광사가 있는데, 임경업 장군의 전설이 서려 있는 곳이다.
정상의 남서쪽 인근에는 높은 절벽 바위가 있으며 이 곳에서 연중 끊이지 않고 물이 솟아 일명 약물바위샘이라고도 불린다.
산의 중턱 아래쪽은 각종 연수원 · 수련장 등이 있고, 산의 남쪽 기슭에 스키장이 운영되다가 2021년 폐장되었다.
천마산의 등산로는 다음과 같다. 1코스(호평동코스) : 수진사 입구 - 천마의집 - 삼각지 - 천마산 정상 2코스(천마산역코스) : 천마산역 - 주먹바위 - 뾰족봉 - 천마산 정상 3코스(천마산관리소코스) : 천마산 관리소 - 깔딱고개 - 뾰족봉 - 천마산 정상 4코스(가곡리코스) : 보광사 입구 - 팔현리 갈림길 - 멸도봉 - 천마산 정상
1983년 군립공원으로 지정되었으며, 2023년 8월 개정 자연공원법에 따라 천마산 시립공원으로 명칭이 변경되었다.
주봉을 중심으로 북동쪽은 경사가 급하고 서쪽은 완만하다.