El parque está formado por dos valles principales: el Valle de la Muerte y el Panamint, ambos formados en el transcurso de los últimos millones de años. Está separado del océano Pacífico por cinco cadenas de montañas que secan por completo las entradas de aire oceánico portadoras de humedad. El valle de la Muerte es uno de los lugares más calurosos de toda Norteamérica. El 23 de julio de 2006 se alcanzó el récord de 58,1 °C en la zona de Badwater que, hasta 2007, seguía siendo el récord absoluto de calor en el mundo.