Der Odenwald gehört zur naturräumlichen Hauptgruppeneinheit Odenwald, Spessart, Südrhön und ist Teil des Naturparks Neckartal-Odenwald. Er erstreckt sich über die Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern und Hessen und hat eine Gesamtfläche von 2.500 km2.
Der hoch aufragende Odenwald bildet einen starken Gegensatz zum im Westen angrenzenden flachen Oberrheintiefland. Südlich läuft der Odenwald sanft in die Kraichgau-Mulde aus. Im Osten bildet der Main eine natürliche Grenze zum Spessart. Der Neckar trennt im südlichen Bereich den Odenwald vom Kleinen Odenwald.
Die Entstehungsgeschichte des Odenwalds reicht 300 Millionen Jahre ins Devon zurück als die Urkontinente aufeinandertrafen und sich ein Gebirge auffaltete. In der Trias senkte sich das Land wieder und es lagerten sich meterdicke Schichten Buntsandstein ab, die später durch die Kalkschichten eines großen Binnenmeeres überlagert wurden.
Das Grundgebirge bilden Magmatite und Schiefer. Darüber liegen Rotliegendes (Quarzporhyr) und Zechstein sowie in weiten Teilen Buntsandstein (Sandstein-Odenwald). Gebiete, in denen das Grundgebirge frei liegt, werden im Gegensatz zum Buntsandstein-Odenwald als Kristalliner Odenwald bezeichnet. Der Vordere Odenwald liegt östlich von Weinheim. Charakteristisch sind in diesem Bereich zahlreiche Quarzporphyr-Steinbrüche.
Mit 625 m ist der Katzenbuckel die höchste Erhebung des Odenwalds. Er ist ein Überbleibsel eines Vulkans, der im Tertiär aktiv war. Tuffe und vulkanische Bomben zeugen noch heute vom Ausbruch des Katzenbuckel-Vulkans. Durch Erosion wurde der ursprüngliche Bergkegel abgetragen. Übrig geblieben sind lediglich die Reste einer Schlotfüllung. Seit 2001 führt ein mineralogischer Lehrpfad „Weg der Kristalle" Besucher in die Geologie des Katzenbuckels ein.
Das zum Neckar steil abfallende Gelände ist zum Teil stark zerklüftet. Sehenswert sind die tief eingeschnittenen Seitentäler Wolfsschlucht bei Zwingenberg (Baden) und Margaretenschlucht bei Neckargerach im Neckar-Odenwald-Kreis.
Touristisch ebenfalls attraktiv ist der Königstuhl (567 m), der einen weiten Blick über die Rheinebene bietet. Unterhalb des Königstuhls befindet sich das Heidelberger Felsenmeer, eine beeindruckende Ansammlung großer Felsblöcke aus Buntsandstein.
Entlang des Neckars existieren mehrere gut erkennbare Umlaufberge, die der Fluss in früheren Zeiten umflossen hat. Eine besonders große Flussschlinge bildete der Neckar vor einer Million Jahren bei Neckargemünd. Noch heute hebt sich der Umlaufberg Hollmut (285 m) deutlich von der umgebenden Landschaft ab.
Typisch für den Sandstein-Odenwald sind ausgedehnte Mischwälder, die die Täler und Bergkuppen dicht überziehen. Im Vorderen Odenwald ist die Landschaft offener ausgeprägt. Die flacheren Berghänge ermöglichen eine bessere landwirtschaftliche Nutzung und begünstigen die Anlage von Siedlungen.