Thung lũng Chết có điều kiện tự nhiên rất khắc nghiệt, nhiệt độ mùa hè thường trên 49 °C (vào ngày 10 tháng 7 mùa hè năm 1913 nhiệt độ đã đạt đến mức kỷ lục 56,7 °C). Lượng mưa trong thung lũng rất thấp, bình quân mỗi năm chỉ khoảng 42mm. Năm cao nhất, lượng mưa cũng chỉ là 114 mm và năm thấp nhất không có một giọt mưa. Vì vậy, thung lũng là nơi nóng nhất của Bắc Mỹ[2]. Thung lũng rất sâu và hoang vu, đáy là dòng sông cạn Amagesa với những cồn cát lởm chởm khắp nơi và giữa thung lũng là một quần thể cồn cát rộng khoảng 155km2, là nơi hoang vu nhất trong thung lũng.

Thực vật trong Thung lũng Chết rất ít, ven đầm ao có một số loài cỏ như cỏ bấc. Động vật cũng chỉ có thỏ rừng, chuột, cáo, chó sói và sơn dương. Ở thung lũng hoang vu vừa khô vừa nóng này, sự sinh tồn của con người và động vật rất khó khăn.

Trong lòng thung lũng hoang tàn nhưng cảnh sắc quanh nó lại hoàn toàn khác biệt. Phía Tây thung lũng là chân núi phía đông dãy Nevada. Ở vùng tiếp giáp có nhiều khe núi dọc ngang và những cây cột bằng đá mọc lởm chởm. Dưới ánh trăng mờ cảnh tượng khu vực này âm u đáng sợ nhưng dưới ánh nắng mặt trời lại toát lộ vẻ đẹp rực rỡ, trở thành nơi có sức hấp dẫn khách du lịch nhất của thung lũng, được mệnh danh là "cái đĩa điều sắc của các họa sĩ"[2]. Năm 1933, Mỹ xây dựng ở đây một công viên quốc gia và trở thành nơi nghỉ đông chống rét.

Một trong những bí hiểm khác của Thung lũng Chết là sự dịch chuyển của những tảng đá và vệt đường đi của chúng trên cát, dù không phải do áp lực của mưa, gió hay dòng nước.[3]