Một số dãy núi lớn trong hoang mạc bao gồm Sierra Madre, Sierra del Carmen, dãy núi Organ, Franklin, Sacramento, Sandia-Manzano, Magdalena-San Mateo, Chisos, Guadalupe, dãy Davis. Những dãy núi này tạo ra "đảo bầu trời" có khí hậu lạnh, ẩm ướt giữa sa mạc, và các khu vực cao như vậy là nơi sinh trưởng của cả hai thảm thực vật rừng lá kim và lá rộng.

Chihuahua là hoang mạc nằm ở độ cao cao hơn so với hoang mạc Sonoran về phía tây, chủ yếu là từ 600-1.675 m (1.969-5.495 ft). Kết quả là, nó có khí hậu ôn hòa hơn một chút trong mùa hè (mặc dù nhiệt độ ban ngày vào tháng 6 thường nằm trong khoảng từ 35 đến 40 °C tức là 95 đến 104 °F). Thời tiết mùa đông thay đổi từ ít đến tương đối lạnh, tùy thuộc vào độ cao và sự phát triển của gió bấc. Lượng mưa có phần phong phú hơn so với hầu hết phần phía Nam của hoang mạc Bồn Địa Lớn, Sonoran hay hoang mạc Mojave. Tuy nhiên, nó vẫn chỉ thường có lượng mưa ít hơn 254 mm (10.0 in) mỗi năm, với khoảng thời gian mưa chủ yếu là vào cuối mùa hè. Lượng mưa trung bình hàng năm của hoang mạc Chihuahua là 235 mm (9,3 in), dao động trong khoảng 150–400 mm (6–16 in). Gần hai phần ba hoang mạc có khí hậu khô cằn với tổng lượng mưa hàng năm chỉ từ 225 và 275 mm (8.9 và 10.8 in).[2] Tuyết rơi là rất ít, ngoại trừ ở các khu vực núi nằm ở độ cao cao hơn.

Có một vài khu vực đô thị trong hoang mạc này, lớn nhất là Ciudad Juárez với gần hai triệu dân, tiếp đó là Chihuahua và Torreon. Tại Hoa Kỳ thì có El Paso, Las Cruces và Roswell là một vài thành phố quan trọng trong vùng sinh thái này. Albuquerque, Saltillo và Monterrey là những đô thị nằm gần sa mạc Chihuahuan.

Theo Quỹ Quốc tế về Bảo vệ Thiên nhiên, Chihuahuan có thể là hoang mạc đa dạng sinh học nhất trên thế giới, cho dù sự phong phú về các loài đặc hữu chưa được thống kê đầy đủ, cùng với sự suy thoái nặng nề theo thời gian, chủ yếu là do chăn thả gia súc.[3] Nhiều loài bản địa đã được thay thế bằng loài Larrea tridentata. Loài sói Mexico (Canis lupus baileyi) từng là loài rất phong phú tại đây nhưng giờ chúng đã đứng bên bờ vực tuyệt chủng.