Chihuahuaöknen är belägen mellan Sierra Madre Occidental och Sierra Madre Oriental och ligger till stora delar på mexikanska platån, på i genomsnitt cirka 1 000 meters höjd över havet.[2] I söder höjer sig platån upp till 2 000 meter över havet[2], men åt norr blir platån lägre och ligger i Texas på bara cirka 500 meters höjd över havet.[2] Innan platån höjdes sig var området havsbotten[2] och geologiskt består den till stor del av sedimentära bergarter[1], men en del är också magmatiska bergarter.[1] Landskapet är omväxlande[2] med dalar, formade av floder[2] som den stora floden Rio Grande och dess bifloder, mindre bergskedjor[3] som reser sig över platån, mesa[3] (en typ av platåberg), saltsjöar[3] och till och med våtmarker[2], sanddyner[3], gräs- och buskmarker.[1]
Chihuahuaöknen är huvudsakligen en regnskuggeöken[5], eftersom de två stora bergskedjorna Sierra Madre Occidental och Sierra Madre Oriental hindrar fuktig luft från Stilla havet och Mexikanska golfen från att nå området.[5] Den får ändå mera regn än Sonoraöknen och Mojaveöknen[3], främst under juni och juli[5] om sommaren[3][4] (monsunregn)[5][3], samt mildare vinterregn[1][4] i december.[5] Den årliga nederbörden är beroende på område mellan 150 och 400 mm[1] (i de södra delarna bara omkring 250 mm).[2] Generellt är somrarna torra[1] och varma.[3] Temperaturen kan då nå 30–40°C i de södra delarna.[2] Vintrarna är svala till kalla och torrare.[3] Den genomsnittliga höga altituden, inlandsläget och avsaknaden av en barriär mot kalla luftmassor från norr[4] gör att frost ibland förekommer under höst och vinter[1][4], främst i de norra delarna (från omkring gränsen mellan USA och Mexiko och norrut) där till och med snöfall kan förekomma.[2]
Det var förändringar mot torrare klimat i området som skapade Chihuahuaöknen[1] för omkring 8 000 år sedan. Tidigare, för 9 000–10 000 år sedan[1][3], var klimatet i området fuktigare och skogar växte på bergssluttningarna.[1]
Chihuahuaöknen har för en ökenregion hög biologisk mångfald med omkring 3 500 växtarter, varav nästan 1 000 kan vara endemiska för ekoregionen.[1][3] Detta motsvarar cirka 29% av arterna.[1] En variation av växtsamhällen finns inom ekoregionen, varav de mest typiska är ökenartad buskmark och ökenartad gräsmark.[1]Kreosotbuske (Larrea tridentata) är en i hela Chihuahuaöknen vanlig art som tillsammans med andra växter (vilka varierar efter jordmån, altitud, latitud och sluttningsgrad) kännetecknar Chihuahuaöknens buskmarker.[1] Bland annat finns många arter av agave och yucca.[3] Inom ekoregionen finns dessutom 350 arter av kaktusar[1], vilket motsvarar cirka en femtedel av alla världens kaktusarter.[1]
För en ökenregion finns ett överraskande stort antal endemiska fiskar.[3] Av de 110 fiskarterna i regionen är nästan hälften endemiska eller har en begränsad utbredning, till stor del i regionen.[3] De flesta av dessa är relikarter[3] i isolerade sjöar och vattendrag i endorheiska bäcken.[3]
Chihuahuaöknen har för en öken också ett rikt insektsliv med hög andel endemiska arter.[1]Fjärilar och myror är grupper med särskilt hög andel endemiska arter.[1] Andelen endemiska spindlar[1] och skorpioner är också hög.[1] Ekoregionen är också det område i Mexiko som har högst mångfald av bin.[1]