Hàm Lợn là một phần của dãy Tam Đảo, hình thành cách đây 230 triệu năm vào giữa kỷ Trias do hoạt động địa chất kiến tạo núi lửa. Loại đất chính ở đây là feralit phát triển trên đá trầm tích.

Ở độ cao vừa phải, khí hậu vùng núi Hàm Lợn không có quá nhiều khác biệt so với vùng đồng bằng của huyện Sóc Sơn, tuy rằng nhiệt độ trên đỉnh núi có thể thấp hơn và độ ẩm cao hơn dưới chân núi. Rừng trên núi là rừng tự nhiên xen kẽ với rừng trồng được trồng vào khoảng thập niên 60 của thế kỉ trước. Đây là một trong những vùng rừng phòng hộ bảo vệ môi trường của thành phố[4]. Trên núi có nhiều suối nhỏ theo mùa, dưới chân núi là nhiều hồ thủy lợi được xây với mục đích cung cấp nước cho những vùng xung quanh.