Trường Sơn Bắc gồm nhiều dãy núi song song nhau theo hướng tây bắc - đông nam. Đầu đại Cổ sinh, nơi mà nay là Trường Sơn Bắc vốn chỉ là một địa máng giữa khối nâng Kon Tum và khối Đông Bắc. Vận động uốn nếp Hercynia (250 triệu đến 400 triệu năm trước) đã tạo ra nếp uốn Trường Sơn Bắc dính liền vào khối Kontum. Trải qua những giai đoạn bóc mòn và xâm thực khác nhau trong quá khứ, Trường Sơn Bắc trở thành dãy núi thấp và có một số bề mặt san bằng.[1]

Dãy Trường Sơn Bắc bắt đầu từ phía nam sông Cả và kéo dài đến dãy Bạch Mã, gồm các dãy núi chạy song song và sole nhau theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, càng về phía Nam dãy Trường Sơn càng sát bờ biển, có nhiều dãy núi đâm ngang thẳng ra biển như Hoành Sơn (giữa Hà Tĩnh và Quảng Bình), và Bạch Mã (giữa Thừa Thiên - Huế và Quảng Nam). Sườn phía đông dốc, sườn phía tây thoai thoải.

Đoạn từ Vinh (Nghệ An) vào đến Đà Nẵng bề ngang đồng bằng chỉ từ 40 km đến 60 km, chỗ hẹp nhất Đồng Hới(Quảng Bình) chỉ khoảng 37 km. Cao độ trung bình của dãy Trường Sơn Bắc khoảng 2.000 m, thỉnh thoảng có những đỉnh cao trên 2.500 m. Các đỉnh núi cao nhất là: Phu/Pu Xai Lai Leng (biên giới Việt-Lào, Nghệ An) 2711 m, Phu/Pu Ma (Nghệ An) 2194 m, Phu/Pu Đen Đin (Nghệ An) 1540 m, Rào Cỏ (biên giới Việt-Lào, Hà Tĩnh) 2235 m, Động Ngài (Thừa Thiên-Huế) 1774 m, Bạch Mã (ranh giới Thừa Thiên - Huế và Đà Nẵng) 1444 m. Khối núi Kẻ Bàng ở tỉnh Quảng Bình cao tới 1178 m, có động Phong Nha được công nhận là Di sản văn hóa thế giới. Các dãy núi con của Trường Sơn Bắc là: dãy Pu/Phu Lai Leng, dãy Giăng Màn, Bạch Mã.

Trường Sơn Bắc là nơi gặp gỡ của hai luồng thực vật di cư từ Himalaya xuống và từ Malaysia lên. Thảm thực vật ở đây, vì vậy, rất phong phú. Động vật cũng theo hai luồng thực vật di cư và hội tụ ở Trường Sơn Bắc.[2]