A Cserhát az Északi-középhegység egyik tagja. Északról az Ipoly völgye, keletről a Tarján-patak és a Zagyva, délen az Alföld, nyugaton pedig a Nógrádi-medence és a Börzsöny határolja. Kőzetei és felszínformái is rendkívül változatosak. A két szomszédos hegységtől, a Börzsönytől és a Mátrától eltérően itt nem a vulkanikus kőzetek vannak többségben, hanem a földtörténeti újkorban lerakódott üledékes kőzetek.
A szűkebb értelemben vett hegység öt részre osztható. A Nyugati-Cserhát javarészt oligocén üledékekből áll – itt található az egész Cserhát legmagasabb pontja, a Naszály. Erősen felszabdalt, dombsági jellegű táj az Északi-Cserhát (Kopasz-Cserhát). A Központi-Cserhátban miocén korú vulkanitok és üledékek vegyesen vannak jelen. A Keleti-Cserhát (Pásztói-Cserhát) kőzetanyaga döntő részben vulkanikus. Délen a Cserhátalja szelíd dombjai helyezkednek el és olvadnak bele szinte észrevétlenül az Alföld síkvidékébe.
Egyes tájföldrajzi beosztások a Cserháthoz sorolják az Alföldbe mélyen benyúló, homokos-üledékes Gödöllői-dombságot, valamint a Salgótarján közelében, az országhatárnál emelkedő Karancsot, a „palóc Olümposzt”.
Kialakulása A vulkánosság előtti idők bélyegkép|jobbra|250px|Cserhát bélyegkép|jobbra|250px|Táj Romhány mellett A Cserhát földtörténeti fejlődése során hosszú és változatos utat járt be, ennek köszönhetőek változatos formái, illetve többféle jellemző kőzete. Alapja ősi kristályos pala, amire üledékes kőzetek települtek. A hegység legidősebb kőzetei a mai Naszályt és Csővár-Romhányi rögvidéket felépítő, karsztos mészkövek és dolomitok – ezek a triász időszakban rakódtak le. Ezután visszahúzódott a tenger, és hosszasan pusztult a a felszín. Kb. 40 millió éve délnyugatról újból benyomult a tenger, és az eocén végétől a miocénig újabb vastag üledékréteg rakódott le. Az oligocén sekélytengeri–édesvízi üledékeire példa a hárshegyi homokkő. A miocénre a tenger tóvá alakult, és azt a folyók kaviccsal, homokkal töltötték föl. A fokozatosan sós vizűvé váló tóban agyagmárga, illetve slír (finomszemű összecementált kőzetliszt) ülepedett le. A Cserhát nagy részén, főleg a nyugati felén ma is ezek a kőzetek az uralkodóak a felszínen.
A vulkánosság Körülbelül 20 millió évvel ezelőtt, a miocén folyamán kezdődött meg a Cserhát vulkanizmusa, a Börzsönyével nagyjából párhuzamosan, bár kisebb léptékben. Az egyre inkább kiemelkedő Kárpátok hatására a tengerelöntés megszűnt és hegyközi medencék alakultak ki sűrű folyóhálózattal. A szubtrópusi klíma gazdag élővilágot éltetett. Az egykori mocsárrengeteg emlékét őrzik Salgótarján környékének barnakőszén-telepei. Ezt a miocén kori ősföldrajzi környezetet konzerválta a vulkáni hamu a méltán világhírű Ipolytarnóci Ősmaradványok Természetvédelmi Területen, az „ősvilági Pompei”-ben.
A vulkánok kezdetben riolitos, majd andezites magmát produkáltak; a tufaszórás mindvégig túlsúlyban volt a lávaömlésekhez képest. Egyes helyeken a magma nem tört a felszínre, hanem az üledékes kőzetek rétegeit felpúpozva lakkolitokat (kőlencséket) hozott létre. A pliocéntől a terület kiemelkedett és a lepusztuló fedőüledékek alól több helyütt kipreparálódtak az állékonyabb lakkolitok. Ezek közül a legnagyobb és legjelentősebb a Karancs, amit gyakran tévesen a Medvessel egy egységnek tekintenek, pedig az jóval később, a pliocénben kiömlött bazaltból áll.
A leggyakoribb szubvulkáni testek az andezites kőzettelérek (dyke-ok); a Középső-Cserhát hegygerinceinek többsége ilyen kőzettelér.
A miocéntől a jelenkorig A miocén végével a vulkáni tevékenység lassan megszűnt. A szarmata, majd a pannon földtani korszakokban lassú süllyedés kezdődött, így előtérbe kerültek a szárazföldi és folyóvízi lepusztulásos folyamatok. Ennek köszönhetően alakult ki az enyhén hullámos dombvidék. A pliocén tektonikus mozgások következtében törések, vetődések mentén alakultak ki a mai domborzati és vízrajzi arculat elemei. Például a peremi helyzetű Cserhátalján a folyó- és patakvölgyek kijárataiban hordalékkúpok keletkeztek. A pleisztocén jégkorszakok idején periglaciális (jégkörnyéki) éghajlat uralkodott. Ekkor a felszínformálás elemei az aprózódások, lejtős tömegmozgások és talajfolyások voltak. A földtörténeti jelenkor, a holocén felszíni változásai elsősorban az emberi tevékenységhez kötődik, a bányákkal (Szanda, Sámsonháza, Nógrádkövesd, Kishartyán stb.), víztározókkal, településekkel és más létesítményekkel módosította több helyen az évmilliók alatt kialakult vidéket.
Földrajza thumb|250px|right|Cserháti tájkép Hollókőnél thumb|250px|right|A Cserhát Hollókői Tájvédelmi Körzet északi része
Éghajlata A hegység éghajlatára nagy hatással van, hogy nyugaton és keleten is magasabbra kiemelkedett hegységek (Börzsöny, Mátra) találhatók. Az emiatt jellemző hegységközi "medencehatás" miatt a terület éghajlata általánosan tekintve mérsékelten hűvös és mérsékelten száraz. A kistájak, térségek között jelentősek lehetnek a mezoklimatikus eltérések, köszönhetően a változatos domborzati viszonyoknak.
A napsütéses órák száma meglehetősen alacsony, 1900-1950 óra/év. Ez a csapadékos és hűvös Alpokalja értékeivel azonos. Ennek megfelelően az évi átlag középhőmérséklet 8-10 C° között változik. Salgótarján tágabb környezetében 9 C° körüli ez az érték, míg a délebbi fekvésű Cserhátalján vagy a Nógrádi-medencében már megközelíti a 10 C°-ot. A magasan fekvő területeken, 600 méter környékén, például a Karancson vagy a Tepke-csoporton már csak 6-8 C°. A leghidegebb hónapnak számító januári középhőmérséklet -2 C° és -3° között változik. A júliusi középhőmérséklet 19 C°. Fagyok már október közepétől lehetségesek, a fagymentes napok száma mindössze 170-180 nap. Ebben fontos szerepet játszik a terület ködhajlama. Ez annak köszönhető, hogy a táj az uralkodó nyugati légmozgás szélárnyékában fekszik, illetve a domborzati adottságok és a gyakran jelentkező őszi-téli fordított légrétegzettségi helyzet, az inverzió is ezt a hatást erősíti. A gyakran tartós ködmezők, jól kumulálják a bezárt hideg, fagyos levegőt, és hatást gyakorolnak az évi középhőmérséklet, a felhőzöttség és napsütéses órák értékeire is.
A hegységközi medencehatásnak köszönhetően a Cserhát a környező területeknél szárazabb. Az évi csapadékmennyiség 560 és 620 mm között változik. Északon 600–620 mm/év, míg délen és a Börzsöny hegység keleti lábainál már csak 560–600 mm. Területi és időbeni megoszlása a gyakori lokális csapadékgócok vonulása miatt szeszélyesen változó. Például a Felvidék magasabb hegyvonulatai felett születő feláramló, konvektív csapadék típusoknak (záporok, heves zivatarok) jobban kitett Karancson az évi csapadékérték 650–700 mm között változik, de egyes években e fölött is alakulhatnak a mért adatok. A térség uralkodó széliránya északnyugati-nyugati. A mérések utóbbi időszakában gyakoribbá vált a délies szelek megjelenése is.
Vízrajz Az Északi-középhegység magasabb hegyeitől eltérően a Cserhátban kisebb az éves csapadékmennyiség. A terület vízhálózatának hozama ebből adódóan gyérebb. A hegység területén körülbelül 400 forrás található. Néhányuknak gyógyhatást tulajdonítanak, bár ezt még nem bizonyították. Ezek közül a legjelentősebbek a Szentkút környékén felszínre törő négy forrás: A Szűz Mária-, a Szent István-, a Szent László- és a Szent Imre-forrás. Az itteni szentkutak állítólag már jó néhány ember csodálatos gyógyulását okozták, így ma is sokan látogatják őket. Bizonyítottan gyógyhatású forrásvíz a Sóshartyánban feltörő jódos víz.
A források vizeit elvezető patakok egy része az Ipolyon keresztül a Dunába ömlik, míg másik részük a Zagyván keresztül a Tiszába. A Cserhát legfontosabb folyója az 59 km hosszú Galga. Vizét kis erek táplálják, a megyét Galgagutától délre elhagyva a Zagyvába ömlik. A Szomor-, a Bujáki-, a Bér-, és a Vanyarci-patak szintén a 180 km hosszú Zagyvába torkollik. Az Ipolyba ömlik a Ménes-patak, a Csitári-patak, a Fekete-víz (mely magába gyűjti a Közép-Cserhát vizeit: a Szanda-patakot, a Malom-árkot, a Sárdi- és Nagy-patakot), a Lókos-patak és a Lóci-patak (ebbe torkollik a Hollókői-, az Aszú-, a Sipek-, a Dobordali-, a Farkasvölgyi-, a Petényi-, a Pusztaszántói-, a Tereskei-ág és a Varsány-patak). A tájegység patakjai mind gyér vizűek, meleg nyarak alkalmával sokszor kiszáradnak.
Növényzet bélyegkép|jobbra|265px|Gyakori jelenség a zúzmara (Salgótarján)
A hegység területének nagy része a Matricum flóravidék Neogradense flórajárásához tartozik, mindössze a Karancs területét sorolják az Agriense flórajáráshoz. A függőleges övezetességnek nincsen olyan jelentősége, mint a jóval magasabb szomszédos Mátránál vagy Börzsönynél. A hegység területét eredetileg cseres-tölgyes, illetve gyertyános–tölgyes borította, ezeknek jó része az emberi tevékenység hatására eltűnt. A déli lejtők, illetve a Gödöllői-dombság jellegzetes erdőtársulásai a melegkedvelő tölgyes és a tatár juharos lösztölgyes. A filoxéra hatására fölhagyott szőlők helyén gyakran tájidegen akácot vagy feketefenyőt ültettek.
Az erdőségek mellett két jellegzetes gyeptársulás is őshonos: a löszpusztarétek és magyar aszatos szálkaperjegyepek. Ezek szintén sok helyen visszaszorultak az emberi beavatkozás, illetve olyan kártékony jövevényfajok, mint a kanadai aranyvessző (Solidago canadensis), a magas aranyvessző (Solidago gigantea) vagy a selyemkóró (Asclepias syriaca) miatt.
A Cserhát területén a következő növényfajok élnek:
tatár juhar (Acer tataricum) méregölő sisakvirág (Aconitum anthora) farkasölő sisakvirág (Aconitum vulparia) tavaszi hérics (Adonis vernalis) bugás hagyma (Allium paniculatum) erdei szellőrózsa (Anemone sylvestris) csillagőszirózsa (Aster amellus) szártalan csüdfű (Astragalus exscapus) sziklai sás (Carex halleriana) fehér madársisak (Cephalanthera damasonium) kardos madársisak (Cephalanthera longifolia) piros madársisak (Cephalanthera rubra) élesmosófű (Chrysopogon gryllus) pukkanó dudafürt (Colutea arborescens) dunai szegfű (Dianthus collinus) nagyezerjófű (Dictamnus albus) széleslevelű nőszőfű (Epipactis helleborine) kislevelű nőszőfű (Epipactis microphylla) Szent László-tárnics (Gentiana cruciata) szúnyoglábú bibircsvirág (Gymnadenia conopsea) fürtös hölgymál (Hieracium racemosum) kardlevelű peremizs (Inula ensifolia) örménygyökér (Inula helenium) tarka nőszirom (Iris variegata) kisfészkű hangyabogáncs (Jurinea mollis) (Laser trilobum) gérbics (Limodorum abortivum) sárga len (Linum flavum) borzas len (Linum hirsutum) árlevelű len (Linum tenuifolium) békakonty (Listera ovata) karcsú gyöngyike (Muscari tenuiflorum) madárfészekkosbor (Neottia nidus-avis) vitéz kosbor (Orchis militaris) agárkosbor (Orchis morio) bíboros kosbor (Orchis purpurea) nyúlánk madártej (Ornithogalum pyramidale) (Orobanche teucrii) sömörös kosbor (Orchis ustulata subsp. aestivalis) nagy pacsirtafű (Polygala major) kisvirágú pimpó (Potentilla micrantha) nagyvirágú gyíkfű (Prunella grandiflora) leánykökörcsin (Pulsatilla grandis) fekete kökörcsin (Pulsatilla pratensis subsp. nigricans) terpedt rezeda (Reseda phyteuma) szürkés ördögszem (Scabiosa canescens) villás habszegfű (Silene dichotoma) mocsári csorbóka (Sonchus palustris) csinos árvalányhaj (Stipa pulcherrima) buglyos here (Trifolium diffusum) Waldstein-pimpó (Waldsteinia geoides)
A vízpartok, vizek jellegzetes fajai a nád (Phragmites australis), virágkáka (Butomus umbellatus), a vízi hídőr (Alisma plantago-aquatica), illetve az egykori mocsarak reliktum faja a gyepes sédbúza (Deschampsia cespitosa).
Természetvédelem A hegység szűkebb területén két tájvédelmi körzet található:
A Kelet-cserháti Tájvédelmi Körzetet 1989-ben alapították, a Bükki Nemzeti Park kezelése alatt áll. Területe 6916 hektár, ebből fokozottan védett 493 hektár. A Hollókői Tájvédelmi Körzetet 1977-ben hozták létre, szintén a Bükki Nemzeti Park hatáskörébe tartozik. Területe 14 hektár.
A tágabb értelemben vett hegység területén található még: Gödöllői Dombvidék Tájvédelmi Körzet Karancs–Medves Tájvédelmi Körzet