Формата на Витоша е почти кръгла с диаметър 20 – 25 km с площ от 278 km2 и средна надморска височина от 1500 m. Изградена е от мощен монцонитов (сиенитов) плутон в ядрото на планината, вместен сред горнокредни вулканити, върху които на места по северната периферия лежат терциерни конгломерати и пясъчници.
Витоша е извънредно богата на водни ресурси – извори, реки, потоци и водопади. По билото на планината преминава главният вододел на Балканския полуостров, който разделя Егейския от Черноморския водосборни басейни. Всички реки, които извират от Витоша, са притоци на Искър или Струма и тъй като и двете големи реки принадлежат към различни водосборни басейни, съответно Черноморски и Егейски, то и витошките реки се разделят на две групи – едните се оттичат към Черно море, а другите – към Егейско море.
На територията на Витоша има богати находища на минерални извори – Панчарево, Железница, Рударци и Княжево. Карстови извори има в южната ѝ част, като най-известен е Живата вода в местността „Врелото“, над Боснек.
Горите заемат над 50% от цялата територия на планината, пасищата – 25%, а останалите площи са заети от скални масиви, каменни сипеи и площи, които поради релефни особености не могат да бъдат залесени.
На територията на Витоша са установени около 1500 вида висши растения, което е близо 50% от всички описани в България, 52 от които са включени в Червената книга на България като застрашени видове. На Витоша могат да се видят 236 вида птици, едри и дребни бозайници и 11 вида прилепи.
Витоша е известна с уникалното природно явление „каменните реки“, които представляват натрупвания на огромни гранитни камъни в много от речните долини. Такъв тип каменни реки могат да се видят единствено на Витоша.
