광주산맥의 북서쪽은 추가령구조곡(楸哥嶺構造谷), 남동쪽은 북한강(北漢江)이 경계를 이룬다. 즉 북한강 유역과 임진강(臨津江) 유역 사이의 산줄기라고 알려져 있다.
광주산맥의 북동부에는 백산(白山, 1,267m) · 대성산(大成山, 1,175m) · 광덕산(廣德山, 1,046m) · 국사봉(國師峯, 1,189m) · 화악산(華岳山, 1,468m) · 명지산(明智山, 1,267m) · 현등산(懸燈山, 936m) 등 1,000m 급의 산들이 솟아 있으며,
서남쪽으로 올수록 점점 낮아져서 서울부근에서는 북한산(北漢山, 837m) · 도봉산(道峰山, 710m) · 인왕산(仁王山, 338m) · 관악산(冠岳山, 629m) 등 500m 전후의 구릉성 산지로 변하며, 한강을 건너서는 100m 전후의 구릉지로 낮아진다.
포천과 화천 사이의 광덕현(664m)과 금곡과 마석 사이의 마치고개(242m)가 주요 고개이다. 광주산맥은 팔당협곡을 건너 남쪽으로 이어지며, 한강을 건너 하남시의 검단산(685m), 광주의 청량산(480m) · 문형산(497m) 등으로 계속된다. 이 산맥은 대부분 경기변성암복합체의 변성암으로 이루어져 있다.
광주산맥의 방향은 중국방향(북북동∼남남서)으로 차령산맥(車嶺山脈) · 노령산맥(蘆嶺山脈)과 같은 방향이다. 지질은 주로 화강암과 화강편마암으로 이루어져있다.
광주산맥은 직선으로 뻗어 있으나 오랫동안 개석(開析)을 받은데다가 하천에 의해 곳곳이 절단되어 연속성은 매우 약한 편이다.
서울 부근의 북한산국립공원에 속한 화강암산지는 절리(節理)와 박리작용(剝離作用)으로 큰 바위가 드러나 뾰족한 봉우리를 이루거나 인수봉과 같이 돔상(dome, 狀)의 둥근 봉우리를 이루고 있어, 암벽 등반에 많이 이용되고 있다.
광주산맥의 연평균기온은 10∼13℃이고, 식물은 온대 중부지역의 낙엽활엽수림대를 형성한다. 침엽수도 있으나 낙엽활엽수가 절대 우세하다. 우리나라 고유식물이 많은 것이 특색이다. 저지대와 구릉지는 대부분이 개간되어 있고, 졸참나무 · 박달나무 · 신나무 · 달피나무 등의 낙엽활엽수가 주류를 이루어 널리 분포되어 있다.