Do một biến động địa chất tạo thành, núi Ba Vì chạy theo hướng bắc-nam và mọc lan ra nhiều đồi nhỏ. Các đồi núi này đều là đá lẫn phiến nham, thạch phiến, ma nham hoặc đá đen.
Ngọn núi cao nhất trong dãy núi Ba Vì là Ngọc Tản, cao 1.281m, giữa thắt cổ bồng, trên xoè tròn như cái tán, bốn mùa mây trắng bao phủ. Trên núi có đền Thượng thờ thần núi Tản Viên; lưng chừng núi có đền Trung, tương truyền là nơi thần thường ngồi chơi ngắm cảnh; dưới chân núi là đền Hạ.
Nằm trong dãy Ba Vì còn có các núi Ngọc Lĩnh, Tương Miêu, U Bò, Núi Tre, Ghẹ Đùng, Trăm Voi... Ở độ cao 400m và 600m là hai khu nghỉ mát do Pháp xây dựng từ năm 1940. Tại khu vực này, hiện nay có tới 200 biệt thự và khách sạn.
Thăm vườn quốc gia Ba Vì, du khách có thể leo lên các đỉnh núi như đỉnh Vua, đỉnh Tản Viên, đỉnh Ngọc Hoa. Từ đây có thể quan sát cả một vùng đồng bằng rộng lớn với đồng ruộng, thành phố, làng mạc, sông hồ. Sông Đà uốn lượn quanh chân núi ở phía tây, hồ Suối Hai mênh mông trải rộng ở phía đông tạo nên phong cảnh sơn thủy hữu tình.