Geologia i morfologia Podobnie jak całe Obniżenie Nitrzańsko-Turczańskie Kotlina Górnonitrzańska jest tworem pochodzenia tektonicznego. Jej wypełnienie tworzą po części zlepieńce, piaskowce i brekcje pochodzące z eocenu, a po części morskie osady wieku dolnomioceńskiego (żwiry, piaski, zlepieńce i łupki). Na południe od Prievidzy (Cigeľ), w rejonie miasta Nováky i w rejonie Handlovej występują środkowomioceńskie i górnomioceńskie warstwy węglonośne z pokładami węgla brunatnego, częściowo przykryte andezytowymi pokrywami lawowymi i wulkanicznymi produktami piroklastycznymi. Z licznymi złomami i uskokami tektonicznymi związane jest występowanie wód termalnych (Bojnice, Chalmová).
Klimat Tereny Kotliny Górnonitrzańskiej zaliczane są do ciepłej, a powyżej 350–400 m n.p.m. do umiarkowanie ciepłej strefy klimatycznej. Średnie temperatury stycznia wahają się w granicach od – 2,4 do – 4,2 °C, a lipca od 17 do 18 °C. Suma rocznych opadów zmienia się od ok. 650 mm w najniższych położeniach do ok. 900 mm w najwyższych częściach kotliny na północy. Średnia temperatura roczna w Partizánskiem, najniżej (195 m n.p.m.) położonej miejscowości na południowym krańcu kotliny, wynosi 9,1 °C, a suma rocznych opadów wynosi 632 mm. Liczba dni z pokrywą śnieżną waha się od 50 do 70 i szybko rośnie wraz z wysokością n.p.m.