Die Landschaft der Halbinsel ist durch Gebirgszüge geprägt. Diese laufen von Nordwesten nach Südosten als Fortsetzung des Pazifischen Küstengebirges, das in Alaska beginnt. Sie entstanden als Brüche, die Hänge fallen im Westen sanfter ab als im Osten. Insgesamt gibt es fast zwei Dutzend benannte Gebirgsketten. Die wichtigsten sind im Norden die Sierra de Juárez mit dem 1.794 m hohen Cerro Torre Blanco, daran anschließend die Sierra San Pedro Mártir mit dem Picacho del Diablo. 3.095 m ist er hoch und damit der höchste Berg der gesamten Baja. Von Oktober bis Mai ist der Gipfel schneebedeckt.
Die Gebirge flachen gen Süden zu einer Tafellandschaft ab. Der Bahía Concepción schließen sich die Sierra de La Giganta (mit dem Cerro La Gigante, 1.760 m) und die Sierra de la Laguna an. Die letztere gipfelt im 2.155 m hohen Picacho de La Laguna.
Das vorherrschende Gestein ist Granit. Manchmal liegt es frei an der Oberfläche und beeindruckt dann – wie in Cataviña zu Blöcken verwittert – durch spektakuläre Landschaften. Spuren vulkanischer Aktivität mit teils frischen Lavaströmen finden sich im Zentralteil der Halbinsel hauptsächlich in der Gegend um San Ignacio mit dem Vulkan Tres Virgenes.
Umspült vom Meer, beeindruckt die Baja California mit über 4.800 km Küstenlinie. Im Westen schuf der Pazifik einige flache Buchten und Nehrungen, so die Laguna Ojo de Liebre bei Guerrero Negro, die Laguna San Ignacio westlich von San Ignacio und die Bahía Magdalena westlich von Ciudad Constitución. An der steileren Ostküste liegen die malerische Bahía de Los Angeles, die Bahía Concepción und die Bahía de La Paz.
Der Kalifornische Golf, auch Mar de Cortés genannt, trennt die Baja California vom mexikanischen Festland und hat als Besonderheit mehr als 50 Inseln und Inselchen zu bieten, die heute zum großen Teil unter Naturschutz stehen, sind sie doch wichtige Brutplätze für Seevögel.
Baja California liegt über der San-Andreas-Spalte, jenem unruhigen Riss in der Erdkruste, der immer wieder für Erdbeben, Zerstörung und Erneuerung sorgt. Durch Spannungen trennte sich die Halbinsel vor etwa 25 Millionen Jahren vom Festland und der Kalifornische Golf öffnete sich. Seitdem ist die Halbinsel etwa 550 Kilometer in Richtung Nordwesten vom Festland weggedriftet und wird in ferner Zukunft mit dem US-amerikanischen Kalifornien eine Insel bilden.
Vom Klima her ist Baja ein sonnenverwöhnter Fleck. Die Chance auf Sonnentage im Winter soll 95 % betragen und damit selbst Hawaii oder Florida in den Schatten stellen. Grund: die Halbinsel liegt zwischen den Hauptregenbringern, den nordwestlichen Winterstürmen und den südlichen tropischen Sommergewittern. Somit werden nur der äußerste Norden und Süden von Regenfällen betroffen, während der zentrale Teil bis auf gelegentliche sommerliche Güsse trocken bleibt. Manche Gegenden erhalten weniger als 50 mm Regen pro Jahr (zum Vergleich: Frankfurt bekommt knapp 1.000 mm pro Jahr).
Was die Temperaturen an den Küsten betrifft, so ist die pazifische Seite immer kühler als die Ostküste, denn der California-Meeresstrom bringt je nach Jahreszeit 13-19 °C kaltes Wasser vom Norden. Dies verhindert die Aufwärmung des Landes. So steigt z. B. in Ensenada das Thermometer auch im Sommer kaum über 25 °C. Anders die Ost- und Südküste: Im Sommer liegen dort die Temperaturen regelmäßig über 30-35 °C und erreichen auch im Winter angenehme Werte.
Und das Landesinnere? Regen ist hier Mangelware; im Sommer brennt die Sonne gnadenlos und treibt die Temperatur regelmäßig auf mehr als 40 °C; in Winternächten fällt sie dagegen zuweilen unter den Gefrierpunkt. Ein typisches Wüstenklima also, das nur besonders harten und zähen Pflanzen, Tieren und Menschen das Überleben gestattet.