Хребет протянулся на 290 км по территории Баймакского, Бурзянского, Абзелиловского, Белорецкого, Учалинского районов Республики Башкортостан и Челябинской области. Ширина хребта составляет от 10 до 20 км в центральной части. Высота хребта незначительна по сравнению западными хребтами Урала, и в среднем, не превышает 1000 метров. Самая высокая вершина Уралтау—гора Арвякрязь (1068 м) в Белорецком районе.

Уралтау представляет собой главный водораздел рек Южного Урала, текущих на восток (в реку Урал) и на запад (в реку Белую, впадающую в Каму).

Состав Уралтау заметно отличается от западных хребтов -- Аваляка, Иремеля и других. Хребет сложен преимущественно метаморфическими сланцами и кварцитами, строение по всей длине постоянно. В тектоническом отношении представляет собой Уралтауский антиклинорий. Рельеф хребта сопочно-хребтовый средне- и низкогорный, представлен системой параллельных гряд, увалов и сопок, которые отделены друг от друга широкими, мягкоочерченными понижениями. На вершинах поднимаются денудационные останцы в виде скалистых сопок.

В ландшафтах заметно проявление вертикальной дифференциации. Ландшафты северной, высокой части хребта характеризуются светлохвойной тайгой с примесью лиственницы с пятнами редколесий и горных лугов. Центральная часть характеризуется лесами из сосны и берёзы на дерново-подзолистых и серых лесных почвах. В южной, пониженной и выровненной части хребта преобладают леса из сосны, березы и осины на серых лесных почвах.