Podłoże tworzą kredowe i trzeciorzędowe wapienie. Na pustyni widoczne są wadi – suche koryta starych rzek. W południowo-wschodniej części znajdują się kratery meteorytowe Wabar.
Wydmy Na pustyni występują: głównie wydmy podłużne – osiągające długość 200 km i wysokość do 100 m, biegnące równolegle do siebie pomiędzy południowo-zachodnią a północno-wschodnią częścią pustyni; występujące powszechnie w części zachodniej barchany – wysokie, duże wydmy w części północno-wschodniej, osiągające wysokość 150–200 m i długość kilku kilometrów wydmy poprzeczne – wysokie wydmy, o wysokości dochodzącej do 300 m; w środkowej części pustyni występują masywne wydmy z połączenia wydm poprzecznych biegnących w przeciwnych kierunkach, osiągające ok. 100 m wysokości wydmy gwiaździste – wysokie wydmy w kształcie piramidy, o stromych zboczach, pojedyncze lub powstałe z połączenia kilku wydm, osiągające wysokość 200 m, występujące w południowej i wschodniej części pustyni
Klimat Ar-Rab al-Chali jest jednym z najbardziej suchych regionów świata, praktycznie niezamieszkanym. Suma roczna opadów wynosi poniżej 100 mm. W niektórych obszarach pustyni susze trwają ponad dziesięć lat.
Flora i fauna Pustynię z rzadka porastają krzewy i trawy – zidentyfikowano jedynie ok.