Изградена е главно от метаморфни скали. Гледана от север от долината на река Струмешница или от юг от Сярското поле, Беласица се издига като внушителна стена. Планинското било е тясно, остро, на места скалисто или покрито с пасища. Южните склонове са скалисти, стръмни и слабо залесени, докато северните са гористи, прорязани от много дълбоки долове и буйни реки и потоци с малки водопади. Северното подножие на планината, известно с името Подгорие, е оформено от дебели акумулативни и акумулативно-делувиални пластове, които задържат обилни водни запаси. Страничните ридове са къси и стръмни.
Реките водещи началото си от планината са къси, стръмни и бурни и се вливат отдясно в река Струмешница и Струма.
В Беласица са регистрирани около 1200 растителни вида, което представлява приблизително 1/3 от флората на България. В българския участък на планината са установени 102 вида с високо консервационно значение, от които 24 вида са защитени от Закона за биологичното разнообразие, 38 вида са включени в Червената книга на България, а 29 са защитени от Конвенцията за международна търговия със застрашени видове от дивата фауна и флора.
Голямото богатство на Беласица са широколистните гори и особено питомният кестен, който вирее изключително на север от главното било до към 900 – 1000 m. Югозападно от Петрич на площ от 1312 хектара е разположен резерват Конгура, в който са запазени естествени екосистеми от бук и питомен кестен.
Беласица дава убежище и на множество гръбначни животни – 8 вида земноводни, 15 вида влечуги, 120 вида птици и над 50 вида бозайници.
