O Parque ocupa uma área aproximada de 56000ha distribuídos por quatro concelhos do distrito de Portalegre: Portalegre, Castelo de Vide, Marvão e Arronches.
A zona sul do parque apresenta um relevo suave e ondulado com uma altitude que varia entre 300 e 400 m.
O Patamar de Portalegre que se situa a uma altitude de 400 a 500 m forma uma espécie de degrau que sobressai da zona sul do parque, e constitui uma zona de transição entre a paisagem tradicional alentejana e a serra.
A serra situa-se na sua maioria a norte e centro da área do parque com altitudes superiores a 800 m, é uma zona marcada por uma paisagem de cristas quartzíticas e por relevos proeminentes.
A criação do Parque Natural marca, em consonância com o seu património natural e paisagístico o início de um processo de restauro dos sistemas agrícolas tradicionais da serra, a agricultura continua a ser a actividade económica dominante nesta região.
Na zona mais serrana predomina a pequena e média propriedade com uma utilização diversificada que resulta da consequente compartimentação do espaço: carvalhais, soutos e montados de sobro alternando com olivais, pinhais e eucaliptais, o sequeiro alternando com pequenos regadios e matos nos terrenos de maior altitude.
A sul, a pequena e média propriedade é substituída pela grande propriedade predominando a agricultura extensiva de sequeiro com o montado de sobro e azinho, e a criação de gado.
As morfologias da área influenciam o tipo de clima existente na região apresenta um período seco acentuado no Verão e um inverno frio e chuvoso, situação que ocorre devido à sua elevada altitude que faz com que a serra sofra uma influência continental ibérica e uma atlântica.
As linhas de maior altitude da serra têm uma orientação NW-SE, as encostas viradas a S-SE são quentes e secas, enquanto as encostas a N-NW são frias e húmidas.
Os ventos dominantes são os de quadrante norte, noroeste e oeste que atenuam o calor e secura estival mantendo as chuvas mais abundantes.
A ação do ar marinho leva a que haja uma menor amplitude térmica e maior precipitação anual em relação à zona envolvente.
A posição geográfica e topográfica da Serra de São Mamede faz dela a mais elevada a sul do Tejo sendo possível encontrar espécies vegetais com características mediterrâneas, atlânticas e centro-europeias.
Na Flora do Parque encontram-se áreas edafoclimáticas muito distintas que se associam a unidades de paisagem diferenciadas: nas encostas viradas a norte mais frescas e húmidas com vegetação como carvalho-negral, e os matos são dominados por estevas e tojo.
Nas encostas viradas a sul mais quentes, a panorâmica é bem diferente uma vez que o clima é marcadamente mediterrâneo sendo a espécie dominante: o sobreiro, e os matos dominantes são xarais mediterrâneos dominados por esteva (Cistus ladanifer).
Nas zonas limites do Parque encontramos um tipo de vegetação tipicamente mediterrânea com predominância de sobro, azinho e pastagens.
A área do parque é de grande importância a nível ornitológico tanto no território nacional como da Península Ibérica fazendo parte da rota migratória de muitas espécies de aves entre a Europa e a África.
Na área foram inventariadas 150 espécies como: águia-de-bonelli, grifo, abutre-preto, chasco-preto, milhafre, bufo-real, águia-cobreira, gavião-da-europa, perdiz-comum, melro-preto, gaio-comum, pisco-de-peito-ruivo, etc.
Nos mamíferos destacam-se: o texugo, o tourão, a doninha, os sacarrabos, a geneta, o gato-bravo, a raposa, o coelho-bravo, o javali, a lebre e o veado.
Na antiga mina de chumbo da Cova da Moura como em grutas calcárias encontram-se importantes colónias de quirópteros (morcegos) sendo aquela considerada uma das mais importantes da Europa.
Nesta área existe a presença de numerosos anfíbios e répteis de entre os quais se destacam: lagarto-de-água, sapo-parteiro-ibérico, tritão-ibérico e cágados.
