En el contexto geológico de la Península Ibérica, la DHGn ocupa terrenos pertenecientes al orógeno alpino en las áreas de cabecera, y a las cordilleras hercínicas a partir de Ciudad Real y hasta su desembocadura en el Océano Atlántico, en ambos casos cubiertos ocasionalmente por depósitos neógenos.
Respecto a la orografía de la cuenca, la altitud media es de unos 550 m, siendo la cumbre más alta el pico Villuercas (Cáceres) de 1.601 m. Las zonas con pendientes más acusadas se encuentran en el sistema de Bullaque-Tirteafuera y en la zona media, mientras que las menores pendientes se aprecian en la llanura manchega lo que favorece la existencia de zonas húmedas.
En cuanto a la edafología, de manera general, aproximadamente el 80% de la cuenca presenta suelos de tipo Inceptisol, suelos poco evolucionados y con cierta acumulación de materia orgánica. También suelos de tipo Alfisol, suelos suficientemente jóvenes como mantener reservas notables de minerales primarios, arcillas, etc y de tipo Entisol, suelo que no muestran ningún desarrollo definido de perfiles, son básicamente su material parental inalterado.
