A diferencia de las partes central y sudoriental, constituidas por vastas llanuras arenosas y a menudo salitrosas, como las de Salinas Grandes y Antofalla, la septentrional y la occidental, ésta ocupada por la Puna de Atacama, presentan un relieve muy accidentado en el que destacan las sierras de Ambato y Ancasti. El relieve se hace aún más acusado a todo lo largo de la frontera con Chile, donde los Andes alcanzan una altitud media de 4300 m y culminan en numerosos y elevados picos: Incahuasi (6620 m), Toro (6380), Azul (5600), Morado (4730), San Francisco (6020). El suelo, casi estéril, aparece cubierto por la vegetación característica de la puna y frecuentemente por extensiones de guijarros que ha formado la erosión. Las planicies, valles de Andalgalá y Catamarca, Llanos de la Sierra, Pozuelos y Pucará, se prestan mejor al cultivo, dificultando frecuentemente sin embargo, por la escasez de agua, ya que muchas corrientes fluviales desaparecen en las tierras áridas y algunas sólo discurren en la época del deshielo. Ríos principales son el del Valle, el Abaucán, que cambia varias veces de nombre, con sus afluentes Troya, Puesto, Pituil; el Santa María, con el Huasi, Totoral, Mayu y Ampajango; el Fuerte, el Colorado del Norte, Albigasta, Tinogasta, Belén. El clima, frío en las elevaciones superiores, es cálido en las tierras bajas, donde se hace notoria la sequedad del aire. En primavera sopla sin interrupción durante semanas enteras el zonda, viento cálido y fuerte del N; el viento sur, por el contrario, llega cargado de humedad. La naturaleza semidesértica de su suelo impide la proliferación de variedades arbóreas, pero hay importantes bosques de quebracho, cuya madera se destina a la construcción. La fauna, por el contrario, es abundante y está representada principalmente por animales carniceros, como el jaguar, el gato montés, el zorro, el hurón, y otros como el venado, la llama, el guanaco y la vicuña. Entre las aves destaca el cóndor.
