Hoang mạc dài 1.000 km, rộng 500 km. Độ cao bề mặt dao động từ 800 m tại phía tây nam đến khoảng mực nước biển tại đông bắc.[3] Địa hình được bao phủ bằng các đụn cát với chiều cao lên tới 250 m, rải rác là các đồng bằng sỏi và thạch cao.[2][3] Cát có màu hơi đỏ-cam do có chứa felspat.[3] Ngoài ra còn có các vùng bằng phẳng cát lợ tại một số nơi, như khu vực Umm al Samim tại góc phía đông của hoang mạc.[3]

Dọc theo chiều dài phần giữa hoang mạc có một số khu vực nổi lên, cứng hơn có chứa canxi cacbonat, thạch cao, marl, hoặc sét, chúng từng là nơi có các hồ nước nông. Các hồ này tồn tại trong giai đoạn từ 6.000 đến 5,000 năm trước và từ 3.000 đến 2.000 năm trước. Các hồ được cho là hình thành từ kết quả của hiện tượng "mưa biến cố" tương tự như các cơn mưa gió mùa hiện nay và có khả năng nhất là kéo dài chỉ trong một vài năm. Tuy nhiên, các hồ tại khu vực Mundafen tại phần tây nam của Rub' al Khali cho thấy bằng chứng tồn tại lâu hơn, lên đến 800 năm, do gia tăng dòng chảy từ vách đứng Tuwaiq.[2]

Bằng chứng cho thấy rằng các hồ này là môi trường sống của nhiều loài động thực vật. Các tàn tích hoá thạch thể hiện sự tồn tại của một vài loài động vật như hà mã, trâu và bò rừng châu Âu. Các hồ cũng có những loài ốc sên, giáp trai nhỏ, và khi điều kiện phù hợp thì còn có trai sông. Trầm tích canxi cacbonat và đá thực kết cho thấy sự hiện diện của thực vật và tảo. Ngoài ra, còn có bằng chứng về hoạt động của con người với niên đại từ 3.000 đến 2.000 năm trước, bao gồm các công cụ bằng đá lửa được đẽo khắc, song không phát hiện thấy di cốt của con người.[2]

Khu vực có khí hậu hoang mạc nóng đặc trưng của hoang mạc Ả Rập. Khu vực được phân loại là "cực khô hạn", với đặc trưng là lượng mưa hàng năm thấp hơn 3 cm. Trung bình nhiệt độ cao nhất trong ngày là 47°C và có thể cao đến 51°C.[3]

Hệ động vật gồm có các loài hình nhện (như bọ cạp) và các loài gặm nhấm, có cây mọc trên khắp khu vực. Với tư cách một vùng sinh thái, the Rub' al Khali nằm trong các vùng đất cây bụi rất khô hạn hoang mạc Ả Rập và Đông Sahara-Ả Rập.[3] Báo săn châu Á từng phổ biến tại Ả Rập Xê Út, song bị tuyệt chủng ở phạm vi hoang mạc Rub' al Khali.

Về mặt địa chất, Rub' al Khali là nơi giàu dầu mỏ nhất trên thế giới.[cần dẫn nguồn] Trữ lượng dầu mỏ lớn được phát hiện dưới lòng các đụn cát.[cần dẫn nguồn] Sheyba nằm tại góc đông bắc của Rub' al Khali là một địa điểm sản xuất dầu thô nhẹ tại Ả Rập Xê Út. Ghawar là mỏ dầu lớn nhất thế giới, kéo dài về phía nam vào phần cực bắc của Rub' al Khali.