Góry Świętokrzyskie zostały wypiętrzone podczas orogenezy kaledońskiej. Odmłodzone (wyniesione i porozcinane) zostały podczas kolejnych orogenez: hercyńskiej i alpejskiej. Góry Świętokrzyskie charakteryzują się dominacją ciągów równoległych pasm i grzbietów ze stromymi zboczami, które biegną z północnego-zachodu na południowy-wschód. Pasma te  oddzielone są od siebie szerokimi, podłużnymi dolinami o płaskim dnie. Najwyższe wzniesienia znajdują się w ich centralnej części w tzw. Paśmie Głównym, które tworzą zbudowane ze skał kambryjskich pasma: Masłowskie, Łysogórskie i Jeleniowskie. Po obydwu stronach Pasma Głównego ciągną się obniżenia. Od północy są to doliny: Dębiańska i Wilkowska, ograniczone z drugiej strony Pasmem Klonowskim, w którego obniżeniach wyłania się oddzielone Doliną Bodzentyńską Pasmo Sieradowickie. W kierunku południowym za Doliną Kielecko-Łagowską, rozciąga się ciąg wzniesień podzielony na mniejsze jednostki morfologiczne. Są to pasma: Wygiełzowskie, Orłowickie, Cisowskie, Daleszyckie, Posłomińsko-Dymińskie i Zgórskie.

Najwyższym wzniesieniem Gór Świętokrzyskich jest Łysica (Góra Świętej Katarzyny). Jej wysokość sięga 612 m.n.p.m. a stoki są pokryte przez gołoborza.
Nazwa omawianego obszaru związana jest z klasztorem pobenedyktyńskim usytuowanym na drugiej pod względem wysokości kulminacji w Górach Świętokrzyskich zwanej Łysą Górą lub Łyścem (595 m.n.p.m.). Przechowywane w nim relikwie Krzyża Świętego dały początkowo nazwę klasztorowi – Klasztor Świętego Krzyża, później Łysej Górze, którą zaczęto nazywać Górą Świętego Krzyża, a następnie najbliższemu otoczeniu. Z kolei nazwa przenosi się na wzniesiony przez ruchy górotwórcze teren, rozciągający się wzdłuż osi Przedbórz – Sandomierz.

Mimo nieznacznego wzniesienia Gór Świętokrzyskich nad poziom morza panuje w nich dość ostry klimat. Średnia temperatura lipca wynosi 170C, a stycznia -40C i jest o ok. 2 stopnie niższa niż sąsiednich regionów. Jesienią i wiosną często występują tu przymrozki. Lato jest stosunkowo krótkie (60 - 80 dni), a zima trwa powyżej 100 dni. Śniegi zalegają szczególnie długo na zimnych skałach krzemianowych. Opady są tu wyższe, a największe na Świętym Krzyżu. Szczególnie obfite w opady jest lato. Okres wegetacyjny jest skrócony w stosunku do sąsiednich regionów o około 1 - 3 tygodni.
Góry Świętokrzyskie odwadniane są głównie przez dwa lewobrzeżne dopływy Wisły: Kamienną i Nidę. Oprócz nich bezpośrednio wpadają do Wisły wypływające z Gór Świętokrzyskich Opatówka, Koprzywianka i Czarna. Charakterystyczną cechą sieci wodnej jest jej niezgodność z układem pasm. Tak Główne Pasmo jak i inne o układzie równoleżnikowym nie stanowią działu wód. Rzeki zmieniając często kierunek na południkowy spływają przełomowymi dolinami. Ich wody o dość dużym spadku wykorzystywano dawniej do poruszania urządzeń w Staropolskim Okręgu Przemysłowym. Z braku naturalnych jezior, magazynowano wodę na czas suszy w sztucznych zbiornikach. W oparciu o nie, a także w nowych miejscach, w ostatnich latach tworzy się tak rekreacyjne, jak i przemysłowe zbiorniki wodne. Znajdują się one m.in. w Borkowie (na Belniance), Małogoszczy (Wierna Rzeka), Brodach (Kamienna).
Ostry klimat, podobny do panujących w wyższych Karpatach i Sudetach, wpływa na rozwój szaty roślinnej i życie zwierząt. Stąd spotyka się tu typowo górskich przedstawicieli flory i fauny.

Góry Świętokrzyskie pod względem pokrywającej je szaty roślinnej należą do dwóch okręgów geobotanicznych. W pierwszym z nich – Łysogórskim na jałowych, chłodnych i wilgotnych, a zarazem ubogich w wapń glebach zachowały się kompleksy leśne w mało zmienionej przez człowieka formie. Wyróżniają się tu dwa główne zespoły leśne: najlepiej zachowany w Polsce bór jodłowy (jedlina) i las jodłowo-bukowy. W jedlinach dominującym gatunkiem jest jodła pospolita występująca niekiedy z domieszką świerka, buka, dębu i jawora. W warstwie krzewów masowo rośnie bez koralowy, a runo bogate jest w paprocie oraz widłaki. W lasach jodłowo-bukowych oprócz tych drzew występuje domieszka jawora, lipy drobnolistnej, klonu i graba. W runie występują między innymi żywiec gruczołowaty, paprotnik kolczasty, czosnek niedźwiedzi. Na gołoborzach rośnie charakterystyczna roślinność mchów, wątrobowców i porostów, w tym także gatunki górskie.

W subregionie chęcińskim na podłożu wapiennym dominują wielkie połacie lasów mieszanych i liściastych złożone przeważnie z buków, lip, jaworów, grabów i sosen. W nasłonecznionych miejscach spotkać można dąbrowy z bogatymi zaroślami leszczyny, irgi zwyczajnej, wiśni karłowatej, jałowca i berberysu. Do bardzo rzadkich krzewów należy tu róża francuska występująca na Grzywach Korzeczkowskich. Wykształciły się tu także murawy kserotermiczne, w których możemy spotkać rzadkie rośliny takie jak aster gawędka, wężymord stepowy, ostrożeń panoński, goździk siny, kostrzewa biała i inne.

W faunie Gór Świętokrzyskich występuję gatunki górskie i borealno-górskie. Osobliwością strumieni jest wypławek kątogłowy – robak z rodziny wirków żyjący tylko w górskich potokach. Innym przykładem są stanowiska dżdżownicy Eisenia luces bytującej tylko w lasach górskich. Reliktowymi gatunkami są ślimaki z rodziny świdrzyków. Z drzewostanem bukowym związany jest bardzo rzadki chrząszcz – nadobnica alpejska (występuje również w Tatrach, Pieninach i Bieszczadach). Oprócz niego występuje w lasach dębowych jelonek rogacz – największy chrząszcz w naszym kraju. Możemy tu spotkać wiele objętych ochroną gatunków motyli (np. paź królowej, paź żeglarz i największy z nich – zwierzchnica trupia główka). W Górach Świętokrzyskich żyje ponad 160 gatunków ptaków. Z typowo górskich gnieżdżą się tu orzechówki i pliszki górskie. Z rzadkich ptaków występują tu kruk i orlik krzykliwy. Spośród ssaków występuje tu najmniejszy na terenie kraju gatunek – ryjówka malutka. Z ssaków mięsożernych pospolity jest lis, a rzadki borsuk. Powszechnie występuje tu kuna leśna i domowa oraz łasica, a rzadziej gronostaj. Z tzw. zwierzyny grubej licznie występuje tu sarna oraz dzik, a rzadziej jeleń i łoś.

Dla ratowania bezcennych gołoborzy, borów jodłowych, lasów mieszanych z dębem, sosną i bukiem karpackim, modrzewia polskiego (endemit) i licznych ptaków (np. krzyżodziób, orlik krzykliwy) w 1922 r. utworzono na terenie Łysogór rezerwat ścisły, a w 1950 r. Świętokrzyski Park Narodowy.

Góry Świętokrzyskie są terenem dawnego górnictwa. Na początku naszej ery wydobywano i przetapiano rudę żelaza. Od późnego średniowiecza wydobywano miedź, ołów i wapienie. W XVIII i XIX w. rozwinęło się górnictwo i hutnictwo żelaza. W XX w., zwłaszcza po II wojnie światowej rozwinęło się tu wydobycie wapieni (m.in. tzw. marmur chęciński) i kwarcytów (Wiśniówka).