La Comarca del Valle del Alto Guadiato ostenta una configuración orográfica desigual, puesto que en su perfil altimétrico al lado de algunas extensas llanuras aparecen alineaciones montañosas, si bien de altitud reducida y generalmente inferior a los 850 m. La estructura fisiográfica fundamental es el Valle del río Guadiato, que discurre encajado a lo largo de un sinclinal generado en la Era Paleozoica, Período Carbonífero, hace 345 millones de años, y cuya cuenca pertenece a la Cuenca del Guadalquivir. La parte más profunda de este Valle es la que cuenta con pendientes más suaves y, normalmente, con las tierras con mayor calidad agrícola.

Hay otra zona de perillanura, al Norte y Noroeste de la Comarca y en la frontera con la provincia de Badajoz, que vierte sus aguas, directamente o por medio de arroyos, al río Zújar perteneciente a la Cuenca del Guadiana. La parte meridional del Valle, la Sierra de los Santos, junto con las sierras del norte del término de Belmez, son las zonas más accidentadas de este territorio y las que cuentan con mayores paisajes y escenarios naturales. En la Sierra de Peñaladrones, ubicada en la parte noreste del término municipal de Belmez, se localiza la cumbre más alta de la comarca, Monte Pelayo, con 935 metros de altitud.

En la zona se hallan yacimientos geológicos de interés científico con un gran valor paisajístico, como son la Cueva de la Osa en Peñarroya Pueblonuevo, o la estructura rodding sobre pizarras en las proximidades de la aldea de Argallón (Fuente Obejuna).